DE102015207834A1 - Processing machine for a laser beam to be performed production method and method for their operation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine für ein mit einem Laserstrahl (27) durchzuführendes Fertigungs- oder Verbindungsverfahren. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren, mit dem diese Bearbeitungsmaschine betrieben werden kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass optische Elemente (24, 25, 28, 36) so ausgelegt sind, dass deren Abmessungen ausreichen, dass nicht nur der Laserstrahl (27) geleitet werden kann, sondern in entgegengesetzter Richtung auch Prozessrückstrahlung (33), die mittels einer Abbildungsoptik (45) beispielsweise auf einem Bildsensor (44) abgebildet werden können. Durch die konfokale Anordnung der optischen Elemente kann somit eine Abkühlungszone (34) unabhängig von einer Richtung (32) der Führung des Laserstrahls (27) immer auf dem Bildsensor (44) abgebildet werden. Dies liegt daran, dass vorteilhaft der gesamte ringförmige Bereich (35) um das Schmelzbad (29) grundsätzlich über die optischen Elemente auf dem Bildsensor (44) abgebildet werden kann, ohne dass die Optik hierzu neu ausgerichtet werden muss.The invention relates to a processing machine for a laser beam (27) to be performed manufacturing or bonding method. Moreover, the invention relates to a method by which this processing machine can be operated. According to the invention, it is provided that optical elements (24, 25, 28, 36) are designed so that their dimensions are sufficient to allow not only the laser beam (27) to be conducted, but also process return radiation (33) in the opposite direction Imaging optics (45) can be imaged, for example, on an image sensor (44). As a result of the confocal arrangement of the optical elements, a cooling zone (34) can always be imaged on the image sensor (44) independently of a direction (32) of the guidance of the laser beam (27). This is because, advantageously, the entire annular region (35) around the molten bath (29) can basically be imaged via the optical elements on the image sensor (44) without the optics having to be realigned for this purpose.
Description
Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine für ein mit einem Laserstrahl durchzuführendes Fertigungs- oder Verbindungsverfahren. Sie weist eine Optik auf, mit der der Laserstrahl auf ein in der Bearbeitungsmaschine herzustellendes oder zu bearbeitendes Werkstück oder ein dieses Werkstück umgebendes Pulverbett lenkbar ist. Ein solches Pulverbett ist bei pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren vorhanden. Bei diesen Verfahren wird das herzustellende Bauteil durch selektives Aufschmelzen des Pulvers im Pulverbett erzeugt. Das hierbei durch den Laserstrahl erzeugte Schmelzbad ist teilweise von nicht aufgeschmolzenem Pulver des Pulverbettes und teilweise von soeben erzeugten und in Abkühlung befindlichen Teilbereichen der Bauteils umgeben.The invention relates to a processing machine for a laser beam to be performed manufacturing or bonding method. It has an optical system with which the laser beam can be directed onto a workpiece to be produced or machined in the processing machine or a powder bed surrounding this workpiece. Such a powder bed is present in powder bed-based additive manufacturing processes. In these methods, the component to be produced is produced by selective melting of the powder in the powder bed. The molten bath produced by the laser beam is partially surrounded by unfused powder of the powder bed and in part by segments of the component which have just been produced and are being cooled.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten oder Herstellen eines Bauteils in einer Bearbeitungsmaschine durch einen Laserstrahl, der mit einer Optik auf ein in der Bearbeitungsmaschine herzustellendes oder zu bearbeitendes Werkstück gelenkt wird.Furthermore, the invention relates to a method for processing or producing a component in a processing machine by a laser beam, which is directed with an optic on a workpiece to be produced or machined in the processing machine.
Bearbeitungsmaschinen und Verfahren zu deren Betrieb, wie sie eingangs charakterisiert wurden, sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Mit diesen Maschinen wird beispielsweise ein selektives Laserschmelzen oder ein Laserschweißen durchgeführt. Bei einer Bearbeitungsmaschine zum selektiven Laserschmelzen wird (wie bereits erwähnt) mit dem Laserstrahl lagenweise ein Pulverbett lokal an den Stellen aufgeschmolzen, wo aus dem Pulver ein Bauteil hergestellt werden soll. Beim Laserschweißen kann ein Zusatzmaterial beispielsweise als Pulver zugeführt werden und an der Verbindungsstelle zwischen zwei Bauteilen aufgeschmolzen werden.Processing machines and methods of operation thereof, as characterized at the outset, are well known in the art. With these machines, for example, a selective laser melting or laser welding is performed. In a processing machine for selective laser melting (as already mentioned), a powder bed is locally melted in layers at the points where a component is to be produced from the powder. In laser welding, a filler material may for example be supplied as a powder and melted at the junction between two components.
Um den Prozess überwachen zu können, ist es bekannt, die sogenannte Prozessrückstrahlung, also Licht, was von dem in Bearbeitung befindlichen Bauteil oder einem dieses Werkstück umgebenden Pulverbett aufgrund einer Wärmeentwicklung abgestrahlt wird, zu erfassen. Von besonderem Interesse ist die Position direkt hinter dem durch den Laserstrahl erzeugten Schmelzbad. Um hier eine optische Erfassung zu ermöglichen muss die Prozessrückstrahlung von einer Position hinter dem Bearbeitungspunkt aufgenommen werden. Daher ist es notwendig, einen zur Erfassung der Prozessrückstrahlung verwendeten Sensor in einem entsprechend angestellten Winkel zu positionieren, damit dieser von dem bearbeitenden Laserstrahl genügend weit entfernt ist. Dies hat zur Folge, dass nur in einer einzigen Bewegungsrichtung des Schmelzbades eine Aufnahme des Signals genau hinter dem Bearbeitungspunkt (Schmelzbad) aufgenommen werden kann. Für andere Bewegungsrichtungen liegt die zu messende Stelle dann zumindest anteilig eher neben dem Bearbeitungspunkt. Nun könnte man vorsehen, die Optik zur Erfassung der Prozessrückstrahlung so zu lagern, dass diese um den Laserstrahl herumgeschwenkt werden kann. Dies erfordert allerdings einen erhöhten mechanischen Aufwand und macht dadurch die Bearbeitungsanlage teurer und störanfälliger.In order to be able to monitor the process, it is known to detect the so-called process reflection, that is light, which is emitted by the component being processed or by a powder bed surrounding this workpiece due to heat development. Of particular interest is the position directly behind the molten pool created by the laser beam. In order to make optical detection possible here, the process return has to be recorded from a position behind the processing point. Therefore, it is necessary to position a sensor used to detect the process back radiation at a correspondingly adjusted angle so that it is sufficiently far away from the machining laser beam. This has the consequence that only in a single direction of movement of the molten bath, a recording of the signal can be recorded just behind the processing point (melt pool). For other directions of movement, the point to be measured is then at least proportionately closer to the processing point. Now you could provide, the optics for detecting the process back radiation to store so that it can be pivoted around the laser beam. However, this requires an increased mechanical effort and thereby makes the processing system more expensive and prone to failure.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Bearbeitungsmaschine für ein laserstrahlgebundenes Fertigungs- oder Verbindungsverfahren anzugeben, mit der eine Prozessführung auf optischem Wege zuverlässig unterstützt werden kann. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Bearbeiten oder Herstellen eines Bauteils mit einer solchen Bearbeitungsmaschine anzugeben, bei dem die Prozessführung auf optischen Wege zuverlässig durchgeführt werden kann.The object of the invention is to provide a processing machine for a laser-bonded manufacturing or bonding method, with which a process control can be reliably supported by optical means. In addition, it is an object of the invention to provide a method for processing or producing a component with such a processing machine, in which the process control can be carried out reliably by optical means.
Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Bearbeitungsmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die in dieser Maschine verwendete Optik verschiedene Elemente mit folgenden Eigenschaften aufweist: die Abmessungen dieser optischen Elemente reichen aus, damit diese neben der Führung des Laserstrahls auch zur Führung von Prozessrückstrahlung in der Lage sind, welche einen ringförmigen Bereich, der um das Auftreffgebiet des Laserstrahls auf dem herzustellenden oder zu bearbeitenden Werkstück gelegen ist, ausgeht. Dieses Auftreffgebiet des Laserstrahls wird bei den genannten Verfahren, also einem additiven Herstellungsverfahren (Additive Manufacturing), einem Schweißen oder einem Auftragsschweißen durch den Laserstrahl aufgeschmolzen. In dem Auftreffgebiet befindet sich somit ein Schmelzbad des zu bearbeitenden Werkstoffes. Das Schmelzbad selbst ist typischerweise geringfügig größer als das Auftreffgebiet des Laserstrahls selbst. Der ringförmige Bereich erstreckt sich um diesen Auftreffbereich des Lasers herum. Er ist so gewählt, dass dieser außerhalb des Schmelzbades liegt oder zumindest nur ein kleiner Randbereich des Schmelzbades in diesem ringförmigen Bereich liegt, damit die Prozessrückstrahlung, die von diesem ringförmigen Bereich ausgeht, nicht von der Prozessrückstrahlung des Schmelzbades überstrahlt wird.This object is achieved with the above-mentioned processing machine according to the invention that the optics used in this machine has various elements with the following properties: the dimensions of these optical elements are sufficient so that they are in addition to the leadership of the laser beam for guiding process radiation in the situation which is an annular region, which is located around the impingement of the laser beam on the workpiece to be machined or processed. This impact area of the laser beam is melted by the laser beam in the aforementioned methods, ie an additive manufacturing process (additive manufacturing), welding or build-up welding. In the impact area is thus a molten bath of the material to be processed. The molten bath itself is typically slightly larger than the impact area of the laser beam itself. The annular region extends around this region of incidence of the laser. It is chosen so that it lies outside the molten bath or at least only a small edge region of the molten bath is located in this annular region, so that the process back radiation emanating from this annular region is not outshone by the process back radiation of the molten bath.
Der Dimensionierung des ringförmigen Bereichs liegt die erfindungsgemäße Erkenntnis zugrunde, dass die Prozessrückstrahlung des in Abkühlung befindlichen Materials im Vergleich zu derjenigen im Schmelzbad so viel geringer ist, dass eine zuverlässige Auswertung nur möglich ist, wenn der Lichtanteil im Lichtsignal aus dem Schmelzbad ausgeschlossen oder zumindest auf einen geringen Teil beschränkt wird (Licht im Sinne der Anmeldung ist elektromagnetische Strahlung, insbesondere UV-Licht, sichtbares Licht und IR-Licht). Von besonderem Interesse ist die Prozessrückstrahlung im direktem Anschluss hinter dem Schmelzbad (bezogen auf die Bewegungsrichtung des Auftreffpunktes des Lasers), also im sogenannten Schmelzbadnachlauf. Wo dieser besonders interessierende Bereich relativ zum Schmelzbad im ringförmigen Bereich liegt, hängt von der augenblicklichen Bewegungsrichtung des Laserstrahls auf dem Werkstück oder auf der Oberfläche des Pulverbettes ab. Durch Gestaltung des ringförmigen Bereiches wird erfindungsgemäß ermöglicht, dass dieser Bereich unabhängig von der Bewegungsrichtung des Laserstrahls immer in dem ringförmigen Bereich liegt und somit durch die optischen Elemente erfasst wird. Zu diesem Zweck sind die optischen Elemente mit anderen Worten so dimensioniert, dass sie nicht nur den Laserstrahl erfassen, sondern auch das Licht der Prozessrückstrahlung aus dem ringförmigen Bereich.The dimensioning of the annular region is based on the finding according to the invention that the process back radiation of the material being cooled is so much lower compared to that in the molten bath that reliable evaluation is only possible if the light component in the light signal is excluded from the molten bath or at least on is limited to a small part (light in the sense of the application is electromagnetic radiation, in particular UV radiation). Light, visible light and IR light). Of particular interest is the process back radiation in the direct connection behind the molten bath (in relation to the direction of movement of the point of impact of the laser), ie in the so-called molten bath lag. Where this region of particular interest lies in the annular region relative to the molten bath depends on the instantaneous direction of movement of the laser beam on the workpiece or on the surface of the powder bed. By designing the annular region, it is possible according to the invention for this region to always be located in the annular region, irrespective of the direction of movement of the laser beam, and thus to be detected by the optical elements. In other words, for this purpose, the optical elements are dimensioned so as to detect not only the laser beam but also the process-return radiation from the annular region.
Weiterhin ist erfindungsgemäß eines der optischen Elemente so im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet, dass die Prozessrückstrahlung aus dem Strahlengang ausgekoppelt wird. Diese Maßnahme ist erforderlich, da die Prozessrückstrahlung sonst bis zu Erzeugungseinrichtung des Laserstrahls (Laser) geführt werden würde. Hier steht jedoch kein genügender Bauraum für eine Erfassungseinrichtung für das ausgekoppelte Licht der Prozessrückstrahlung zur Verfügung. Die Auskoppelung ermöglicht es daher vorteilhaft, die Erfassungseinrichtung an einer hierfür geeigneten Stelle der Bearbeitungsmaschine anzuordnen. Die Auskoppelung der Prozessrückstrahlung kann zum Beispiel durch einen halbdurchlässigen Spiegel realisiert sein, der einerseits das vom Laser kommende Licht des Laserstrahls durchlässt, andererseits das ausgekoppelte Licht der Prozessrückstrahlung reflektiert und damit zur Erfassungseinrichtung umleitet.Furthermore, according to the invention, one of the optical elements is arranged in the beam path of the laser beam such that the process return radiation is coupled out of the beam path. This measure is necessary since the process back radiation would otherwise be conducted up to the generation device of the laser beam (laser). However, there is no sufficient space for a detection device for the decoupled light of the process back radiation available. The decoupling therefore advantageously makes it possible to arrange the detection device at a location of the processing machine suitable for this purpose. The decoupling of the process return radiation can be realized, for example, by a semitransparent mirror, which on the one hand transmits the laser beam coming from the laser, and on the other hand reflects the decoupled light of the process return and thus redirects it to the detection device.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn sichergestellt wird, dass die Prozessrückstrahlung aus dem Schmelzbad aus dem die Erfassungseinrichtung erreichenden Licht ausgekoppelt wird. Hierzu muss eine Vorrichtung zum Einsatz kommen, die die Funktion einer Strahlfalle übernimmt. Beispielsweise kann dies durch eine Blende erfolgen, die derart angeordnet ist, dass die von einem Schmelzbad auf dem Werkstück ausgehende Prozessstrahlung abgefangen wird. Auch kann die Strahlfalle durch eine geeignete Ausbildung der Sensorfläche in der Erfassungseinrichtung realisiert sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das optische Element zur Auskoppelung der Prozessrückstrahlung selbst derart auszubilden, dass die Prozessrückstrahlung des Schmelzbades gar nicht ausgekoppelt wird. Dies könnte durch eine Öffnung in einem Umlenkspiegel realisiert werden, wobei die Öffnung gleichzeitig einen verlustfreien Durchlass des vom Laser ausgehenden Laserstrahls ermöglichen würde. Es muss jedoch sichergestellt sein, dass die Prozessrückstrahlung, die dann in den Laser strahlt, diesen nicht zerstört. Geeignete Laser für diesen Anwendungsfall werden beispielsweise durch die Firma IPG Laser angeboten. Die vom ringförmigen Bereich ausgehende Prozessrückstrahlung kann dann vorteilhaft ohne eine Verfälschung durch die Prozessrückstrahlung des Schmelzbades ausgewertet werden.Furthermore, it is advantageous if it is ensured that the process return radiation from the molten bath is decoupled from the light reaching the detection device. For this purpose, a device must be used, which takes over the function of a jet trap. For example, this can be done by a diaphragm, which is arranged such that the emanating from a molten bath on the workpiece process radiation is intercepted. Also, the beam trap can be realized by a suitable design of the sensor surface in the detection device. Another possibility is to form the optical element for decoupling the process back-radiation itself in such a way that the process return radiation of the molten bath is not decoupled at all. This could be realized by an opening in a deflection mirror, wherein the opening would simultaneously allow a lossless passage of the outgoing laser laser beam. However, it must be ensured that the process back radiation, which then radiates into the laser, does not destroy it. Suitable lasers for this application are offered for example by the company IPG Laser. The process back radiation emanating from the annular region can then advantageously be evaluated without adulteration by the process retro-reflection of the molten bath.
Eine Alternative zur Verwendung einer Strahlfalle liegt darin, dass die Erfassungseinrichtung die Prozessrückstrahlung nur in einem Wellenlängenbereich auswertet, welcher typisch für die Prozessrückstrahlung im Schmelzbadnachlauf ist. Dadurch kann die Prozessrückstrahlung vorteilhaft auch dann zuverlässig ausgewertet werden, wenn die Prozessrückstrahlung des Schmelzbades nicht von einer Strahlfalle abgefangen wird.An alternative to the use of a jet trap is that the detection device evaluates the process back-radiation only in a wavelength range which is typical for the process back-radiation in the melt bath lag. As a result, the process return radiation can advantageously also be reliably evaluated if the process return of the molten bath is not intercepted by a jet trap.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung von einem Bildsensor gebildet wird, auf den der ringförmige Bereich abgebildet wird. Hierbei können vorteilhaft CMOS- oder CCD-Sensoren zum Einsatz kommen. Diese Sensoren werden als Serienprodukte hergestellt und sind vorteilhaft günstig in der Anschaffung. Außerdem ermöglichen sie es vorteilhaft, ein Abbild des ringförmigen Bereiches auszuwerten, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung im Strahlengang der ausgekoppelten Prozessrückstrahlung eine Abbildungsoptik vorgesehen ist, mit der das Abbild der Oberfläche des Werkstückes auf dem Bildsensor fokussierbar ist. Hierdurch werden auch Informationen auswertbar, welche geometrische Form oder Fläche das Gebiet des Schmelzbadnachlaufes aufweist.According to another embodiment of the invention, it is provided that the detection device is formed by an image sensor, on which the annular region is imaged. In this case, advantageously CMOS or CCD sensors can be used. These sensors are manufactured as series products and are advantageous in the purchase. In addition, they advantageously make it possible to evaluate an image of the annular region if, according to an embodiment of the invention, imaging optics are provided in the beam path of the decoupled process reflection, with which the image of the surface of the workpiece can be focused on the image sensor. As a result, information can also be evaluated as to which geometric shape or surface the area of the molten bath has.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen werden, dass die Erfassungseinrichtung von einem optischen Messgerät, insbesondere einem Pyrometer oder Spektrometer, gebildet wird, welches die Prozessrückstrahlung des ringförmigen Bereiches einfängt. Bei derartigen Erfassungseinrichtungen geht es nicht um die Abbildung des ringförmigen Bereiches, sondern um die Analyse des eingefangenen Lichtes der Prozessrückstrahlung. Hier kann zur Auswertung der Prozessrückstrahlung zum Beispiel ein Lichtspektrum erfasst werden. Vorteilhaft ist im Strahlengang der ausgekoppelten Prozessrückstrahlung eine Sammeloptik vorgesehen, mit der Prozessrückstrahlung auf einen Eingang des Messgerätes gebündelt wird. Hier ist eine exakte Fokussierung nicht erforderlich, die Bündelung dient lediglich dazu, einen möglichst großen Anteil der Prozessrückstrahlung in dem zur Verfügung stehenden optischen Eingang der Erfassungseinrichtung zu vereinen. Als Sammeloptik kann in diesem Fall beispielsweise ein Hohlspiegel, insbesondere ein Parabolspiegel zum Einsatz kommen.According to an alternative embodiment of the invention, it can also be provided that the detection device is formed by an optical measuring device, in particular a pyrometer or spectrometer, which captures the process reflection of the annular region. Such detection devices are not concerned with the imaging of the annular region, but with the analysis of the trapped light of the process radiation. Here, for example, a light spectrum can be detected to evaluate the process back radiation. Advantageously, a collection optics is provided in the beam path of the decoupled process back-radiation, is bundled with the process back radiation to an input of the measuring device. Here an exact focusing is not required, the bundling serves only to unite the largest possible portion of the process back radiation in the available optical input of the detection device. As collecting optics, a concave mirror, in particular a parabolic mirror, can be used in this case, for example.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch das eingangs angegebene Verfahren zum Bearbeiten oder Herstellen eines Bauteils gelöst, indem in der Optik optische Elemente zum Einsatz kommen, deren Abmessungen ausreichen, damit diese neben der Führung des Laserstrahls auch eine Führung von Prozessrückstrahlung übernehmen können, welche von einem ringförmigen Bereich, der um das Auftreffgebiet des Laserstrahl auf dem herzustellenden oder zu bearbeitenden Werkstück gelegen ist, ausgeht. Von diesen optischen Elementen ist erfindungsgemäß eines so im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet, dass die Prozessrückstrahlung aus dem Strahlengang ausgekoppelt wird, wobei eine Erfassungseinrichtung für diese gekoppelte Prozessrückstrahlung vorgesehen ist, die diese Prozessrückstrahlung erfasst. Dieses Verfahren lässt sich mit der vorstehend beschriebenen Bearbeitungsmaschine durchführen, wobei die bereits aufgeführten Vorteile erreicht werden. The object of the invention is also achieved by the above-mentioned method for processing or manufacturing a component by optical elements are used in optics whose dimensions are sufficient so that they can take in addition to the leadership of the laser beam and a leadership of process back radiation, which of an annular area located around the impact area of the laser beam on the workpiece to be machined or processed. According to the invention, one of these optical elements is arranged in the beam path of the laser beam in such a way that the process return radiation is coupled out of the beam path, wherein a detection device for this coupled process return is provided which detects this process return radiation. This method can be carried out with the processing machine described above, wherein the advantages already listed are achieved.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Strahlengang der ausgekoppelten Prozessrückstrahlung eine Blende angeordnet ist, und zwar derart, dass die von einem Schmelzbad auf dem Werkstück ausgehende Prozessrückstrahlung abgefangen wird. Alternativ zu einer Blende können auch die zur erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine näher erläuterten Maßnahmen getroffen werden. Vorteilhaft lässt sich damit das von dem ringförmigen Bereich ausgehende Licht der Prozessrückstrahlung getrennt von dem vom Schmelzbad ausgehenden Licht der Prozessrückstrahlung auswerten. Die hiermit verbundenen Vorteile sind im Zusammenhang der Erläuterung der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine bereits erläutert worden.According to one embodiment of the method according to the invention, it is provided that a diaphragm is arranged in the beam path of the decoupled process back radiation, in such a way that the process back radiation emanating from a molten bath on the workpiece is intercepted. As an alternative to a diaphragm, the measures explained in greater detail for the processing machine according to the invention can also be taken. Advantageously, the light emitted by the annular region from the process return radiation can thus be evaluated separately from the light from the process back radiation emanating from the molten bath. The associated advantages have already been explained in connection with the explanation of the processing machine according to the invention.
Wenn die Erfassungseinrichtung von einem Bildsensor gebildet wird, kann, wie bereits erwähnt, der ringförmige Bereich auf dem Bildsensor abgebildet werden und das entstandene Bild einer Auswertung unterzogen werden. Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise die Lage eines Intensitätsmaximums der Prozessrückstrahlung in dem ringförmigen Bereich bestimmt werden. Dieses Intensitätsmaximum gibt Aufschluss darüber, in welchem Teilbereich des ringförmigen Bereiches sich der Schmelzbadnachlauf gerade befindet. Dieser ist nämlich wegen der gerade erfolgten Erstarrung des Schmelzbades noch wesentlich heißer als die anderen Teilbereiches des ringförmigen Bereiches und kann daher durch die Ermittlung des Intensitätsmaximums bestimmt werden. Die bekannte Lage des Schmelzbadnachlaufes in dem ringförmigen Bereich gibt zum Beispiel Aufschluss über die Bewegungsrichtung des Lasers, über das Bauteil oder das Pulverbett. Abweichungen der Lage können daher beispielsweise für eine Korrektur der Richtung verwendet werden.If the detection device is formed by an image sensor, as already mentioned, the annular region can be imaged on the image sensor and the resulting image can be subjected to an evaluation. According to one embodiment of the method according to the invention, for example, the position of an intensity maximum of the process return radiation in the annular region can be determined. This maximum intensity provides information about the partial area of the annular area where the molten bath caster is currently located. Because of the solidification of the molten bath which has just taken place, it is still substantially hotter than the other part of the annular region and can therefore be determined by determining the intensity maximum. The known position of the Schmelzbadnachlaufes in the annular region gives, for example, information about the direction of movement of the laser, on the component or the powder bed. Deviations of the position can therefore be used for example for a correction of the direction.
Eine andere Möglichkeit das Intensitätsmaximum auszuwerten, liegt darin, dass aus dem Intensitätsmaximum die auf dem Bauteil herrschende Temperatur ermittelt wird. Für diese Temperatur kann beispielsweise ein zulässiger Temperaturbereich definiert werden, in dem die Qualität des Bauteils gewährleistet ist. Beispielsweise in einem Randbereich des herzustellenden Bauteils kann die Abführung der Prozesswärme eingeschränkt sein, da dort weniger Bauteilvolumen zur Verfügung steht, in dem sich die Wärme verteilen kann. Verlässt beispielsweise in einem solchen Bereich die gemessene Temperatur das Temperaturfenster hin zu höheren Temperaturen, kann die Leistung des Lasers reduziert werden.Another possibility to evaluate the intensity maximum is that the temperature prevailing on the component is determined from the intensity maximum. For example, an allowable temperature range can be defined for this temperature, in which the quality of the component is guaranteed. For example, in an edge region of the component to be produced, the dissipation of the process heat can be limited since there is less component volume available in which the heat can be distributed. For example, if the temperature measured leaves the temperature window in such an area towards higher temperatures, the power of the laser can be reduced.
Eine andere Möglichkeit liegt darin, aus der Temperatur im ringförmigen Bereich auf die Abkühlgeschwindigkeit des Bauteils im Schmelzbadnachlauf und somit auf mögliche Defekte im Werkstoffgefüge zu schließen. Ist diese zu hoch, kann dies zu erhöhten Eigenspannungen im hergestellten Bauteil führen. Verlässt die gemessene Temperatur somit das zulässige Temperaturfenster in Richtung zu geringer Temperaturen kann dem beispielsweise durch einen zusätzlichen Wärmeeintrag mittels einer anderen Energiequelle (beispielsweise durch einen zweiten Laser) in das Bauteil entgegengewirkt werden.Another possibility is to conclude from the temperature in the annular region on the cooling rate of the component in the melt bath lag and thus on possible defects in the material structure. If this is too high, this can lead to increased residual stresses in the manufactured component. If the measured temperature thus leaves the permissible temperature window in the direction of low temperatures, this can be counteracted, for example, by additional heat input into the component by means of another energy source (for example, by a second laser).
Ist die geforderte Intensität der Prozessrückstrahlung beispielsweise in einer Serienproduktion von Bauteilen schon genau bekannt, kann die Prozessrückstrahlung anstelle eines Prozessfensters auch ein Referenzwert bestimmt werden. Hier kann bei Abweichungen von dem Referenzwert vorteilhaft sehr schnell eine Anpassung der Leistung des Laserlichtes vorgenommen werden. Der Referenzwert kann für Bauteile auch in Abhängigkeit des gerade hergestellten Bereiches variabel bestimmt werden, wenn sich in unterschiedlichen Bauteilregionen auch unterschiedliche Prozessbedingungen als ideal herausgestellt haben.If the required intensity of the process return, for example, in a series production of components already known exactly, the process back radiation can be determined instead of a process window and a reference value. Here, in the case of deviations from the reference value, an adaptation of the power of the laser light can advantageously be carried out very quickly. The reference value for components can also be determined variably depending on the region just produced, even if different process conditions have been found to be ideal in different component regions.
Um den (eventuell variablen) Referenzwert zu ermitteln, kann vor der Herstellung des Bauteils die Herstellung einer Probe erfolgen, wobei ein in dem Verfahren verwendetes Pulver und die in dem Verfahren geltenden Prozessparameter angewendet werden. Hierdurch entstehen Produktionsvoraussetzungen, die sich auf eine spätere Produktion des Bauteils selbst übertragen lassen. Bei der Serienproduktion von Bauteilen kann die Probe selbst auch ein Bauteil sein, welches im Voraus in einem Testlauf hergestellt wird.In order to determine the (possibly variable) reference value, it is possible to prepare a sample prior to the manufacture of the component using a powder used in the process and the process parameters used in the process. This creates production prerequisites that can be transferred to a later production of the component itself. In mass production of components, the sample itself may also be a component which is manufactured in advance in a test run.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben.Further details of the invention will be described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are each provided with the same reference numerals and are only multiple insofar explains how differences arise between the individual figures.
Es zeigenShow it
Eine Bearbeitungsmaschine gemäß
Weiterhin ist in der Bearbeitungsmaschine ein Laser
Das Laserlicht erzeugt in dem Pulverbett
In
Der Weg der Prozessrückstrahlung
In
Bei dem Werkstück
Der Bildsensor
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