DE102019200795A1 - Surface detection method for laser beam melting - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächendetektion für Laserstrahlschmelzen. Das Verfahren umfasst dabei wenigstens die Schritte des Belichtens eines Pulvermaterials (18) mit einem Laserstrahl (14), so dass eine Schmelze (30) entsteht, des Erfassens eines optischen Signals (38) von wenigstens einem Bereich der Schmelze (30), des Erzeugens von die Oberflächenstruktur beschreibenden Kenngrößen aus dem optischen Signal (38), und des Bestimmens eines zu den Kenngrößen in einer Datenbank (46) korrelierten Rauigkeitswert (R) für die Oberfläche. The invention relates to a method for surface detection for laser beam melting. The method comprises at least the steps of exposing a powder material (18) to a laser beam (14) so that a melt (30) is formed, detecting an optical signal (38) from at least one area of the melt (30), producing it of parameters describing the surface structure from the optical signal (38), and determining a roughness value (R) correlated to the parameters in a database (46) for the surface.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächendetektion für Laserstrahlschmelzen und eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.The present invention relates to a method for surface detection for laser beam melting and an apparatus for performing such a method.
Laserstrahlschmelzen werden insbesondere eingesetzt bei der generativen Herstellung von Bauteilen. Generative Herstellungsverfahren werden insbesondere zur Herstellung eines Bauteils zur Rapid - Tooling, Rapid - Pototyping oder bei der Herstellung von Serienprodukten im Rahmen des Rapid - Manufacturing eingesetzt. Bei diesen Verfahren wird das zu erzeugende Bauteil schichtweise aus Pulvermaterial aufgebaut, wobei das Pulvermaterial entsprechend der aufzubringenden Schicht in einer Pulverlage auf einem Substrat oder einem bereits hergestellten Teil eines Bauteils aufgebracht wird, um anschließend durch Aufschmelzen oder Sintern des Pulvers eine Verbindung des Pulvermaterials untereinander und zu dem Bauteil zu schaffen.Laser beam melting is used particularly in the additive manufacturing of components. Generative manufacturing processes are used in particular to manufacture a component for rapid tooling, rapid pototyping or in the production of series products in the context of rapid manufacturing. In this method, the component to be produced is built up in layers from powder material, the powder material being applied in a powder layer on a substrate or an already produced part of a component in accordance with the layer to be applied, in order to then connect the powder material to one another and by melting or sintering the powder to create the component.
Um eine Pulverlage auf dem Bauteil zu erzeugen kann ein Pulverbett verwendet werden, in welchem der bereits erzeugte Teil des Bauteils angeordnet ist und in der Richtung des Aufbaus des Bauteils von einer Pulverlage überdeckt ist, die selektiv entsprechend der Kontur in der Schnittebene des zu erzeugenden Bauteils auf dem Bauteil abgeschieden werden soll. Die Oberfläche des Pulverbetts wird dabei so gewählt, dass zwischen dem bereits erzeugten Bauteil und der Oberfläche des Pulverbetts die Pulverlage mit der gewünschten Dicke vorliegt, die im nächsten Schritt als Festkörperschicht auf dem Bauteil durch Aufschmelzen oder Sintern und nachfolgende Wiedererstarren abgeschieden werden soll. Durch selektives Schmelzen oder Sintern entsprechend dem Schnittmuster des zu erzeugenden Bauteils in der jeweiligen Lage und nachfolgendes Erstarren können dreidimensionale Gegenstände erzeugt werden.In order to produce a powder layer on the component, a powder bed can be used, in which the part of the component that has already been produced is arranged and is covered in the direction of the construction of the component by a powder layer that selectively corresponds to the contour in the cutting plane of the component to be produced to be deposited on the component. The surface of the powder bed is selected so that between the component already created and the surface of the powder bed there is the powder layer with the desired thickness, which is to be deposited as a solid layer on the component in the next step by melting or sintering and subsequent re-solidification. By selective melting or sintering according to the pattern of the component to be produced in the respective position and subsequent solidification, three-dimensional objects can be produced.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Der Hintergrund der Erfindung ist, dass bei der pulverbettbasierten additiven Fertigung Oberflächenfehler ein häufiges Problem darstellen. Diese Oberflächenfehler entstehen meist durch ein falsch zugestelltes Pulver, eine schlechte Prozessführung, Beschichterbeschädigungen, Schmutz oder prozessbedingte Spritzer im Pulverbett. Solche Oberflächenfehler mindern die Qualität des derart hergestellten Bauteils.The background of the invention is that surface defects are a common problem in powder bed based additive manufacturing. These surface defects usually result from incorrectly delivered powder, poor process control, damage to the coater, dirt or process-related splashes in the powder bed. Such surface defects reduce the quality of the component produced in this way.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, ein Verfahren anzugeben, mit welchem solche Oberflächenfehler wirtschaftlich detektiert werden können.The object of the present invention is therefore to provide a method with which such surface defects can be detected economically.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Oberflächendetektion für Laserstrahlschmelzen mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens mit den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.The object is achieved by a method for surface detection for laser beam melting with the features according to
Die Erfindung gibt ein Verfahren zur Oberflächendetektion für Laserstrahlschmelzen an. Das Verfahren umfasst dabei wenigstens die Schritte des Belichtens eines Pulvermaterials mit einem Laserstrahl, so dass eine Schmelze entsteht, des Erfassens eines optischen Signals von wenigstens einem Bereich der Schmelze, des Erzeugens von die Oberflächenstruktur beschreibenden Kenngrößen aus dem optischen Signal, und des Bestimmens eines zu den Kenngrößen in einer Datenbank korrelierten Rauigkeitswert für die Oberfläche.The invention specifies a method for surface detection for laser beam melting. The method comprises at least the steps of exposing a powder material to a laser beam so that a melt is formed, detecting an optical signal from at least one area of the melt, generating characteristic parameters describing the surface structure from the optical signal, and determining one the parameters in a database correlated roughness value for the surface.
Unter Belichten im Sinne der Erfindung wird verstanden, dass ein bestimmter Bereich mit dem Laserstrahl aufgeschmolzen wird, so dass wenigstens teilweise in diesem Bereich eine Schmelze entsteht. Als die Oberflächenstruktur beschreibende Kenngrößen werden Kenngrößen verstanden anhand derer direkte Rückschlüsse auf die Oberflächenstruktur möglich sind. Die Oberflächenstruktur wird dabei beispielsweise durch Fehler in der Oberfläche, die Welligkeit und/oder die Rauigkeit der Oberfläche gebildet. Besonders bevorzugt sind dabei Kenngrößen, die Rückschlüsse auf die Rauigkeit der Oberfläche ermöglichen.Exposure in the sense of the invention means that a certain area is melted with the laser beam, so that a melt is formed at least partially in this area. The parameters describing the surface structure are understood to be parameters on the basis of which direct conclusions can be drawn about the surface structure. The surface structure is formed, for example, by defects in the surface, the waviness and / or the roughness of the surface. Characteristics that allow conclusions to be drawn about the roughness of the surface are particularly preferred.
Zu den ermittelten Kenngrößen kann anhand von zuvor durchgeführten und in der Datenbank abgelegten Vergleichsmessungen eine Abschätzung der Rauigkeit der aktuellen Messung angestellt werden, ohne eine entsprechende Messung nach dem Verfahren durchführen zu müssen. Es kann somit vielmehr die Rauigkeit und damit auch Oberflächenfehler während des Prozesses detektiert werden. Aufgrund dieser detektierten Oberflächenfehler können entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dies ermöglicht eine wirtschaftliche Fertigung der Bauteile. Dadurch kann eine hohe Qualität der gefertigten Bauteile sichergestellt werden.An estimate of the roughness of the current measurement can be made for the determined parameters on the basis of comparative measurements previously carried out and stored in the database, without having to carry out a corresponding measurement using the method. Rather, the roughness and thus also surface defects can thus be detected during the process. Appropriate countermeasures can be initiated based on these detected surface defects. This enables the components to be manufactured economically. This ensures high quality of the manufactured components.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird bei einem Überschreiten eines Grenzwertes für den Rauigkeitswert der entsprechende Abschnitt zum Nacharbeiten erneut belichtet. Falls die Rauigkeit zu groß sein sollte kann somit der entsprechende Bereich nochmals aufgeschmolzen oder mit dem Laser poliert werden. Dadurch kann für jede Schicht eine Mindestqualität sichergestellt werden, so dass das mit dem Verfahren hergestellte Bauteil qualitativ verbessert wird. In a preferred embodiment of the invention, if a limit value for the roughness value is exceeded, the corresponding section is exposed again for reworking. If the roughness is too large, the corresponding area can be melted again or polished with a laser. In this way, a minimum quality can be ensured for each layer, so that the component produced using the method is qualitatively improved.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird bei einem Rauigkeitswert, welcher unterhalb des Grenzwertes ist eine neue Position angefahren. Dies bedeutet, dass mit der Herstellung fortgefahren wird. Dadurch kann bei einer ständigen Prüfung der Qualität, das Bauteil durchgehend gefertigt werden. Das Bauteil kann somit bei Einhaltung einer gewissen Qualität schnell gefertigt werden, so dass die Kontrolle der Qualität nicht die Vorteile der generativen Fertigung mindern.In a further preferred embodiment of the invention, a new position is approached at a roughness value which is below the limit value. This means that production will continue. As a result, the component can be manufactured continuously with constant quality checks. The component can thus be manufactured quickly if a certain quality is maintained, so that checking the quality does not reduce the advantages of additive manufacturing.
Vorzugsweise wird als optisches Signal die thermische Strahlung der Schmelze verwendet. Dies bedeutet, dass die thermische Strahlung, die von der Schmelze abgegeben wird, ausgewertet wird. Diese Strahlung wird durch einen Empfänger für thermische Strahlung gemessen. Dadurch ist beispielsweise keine zusätzlich Strahlungsquelle notwendig, so dass ein Empfänger für thermische Strahlung ausreichend ist. Dadurch ist das Verfahren wirtschaftlich durchführbar.The thermal radiation of the melt is preferably used as the optical signal. This means that the thermal radiation emitted by the melt is evaluated. This radiation is measured by a thermal radiation receiver. This means, for example, that no additional radiation source is necessary, so that a receiver for thermal radiation is sufficient. This makes the process economically feasible.
In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die Kenngrößen anhand einer Helligkeits- und/oder Dunkelheitsverteilung des optischen Signals erzeugt. Von der Schmelze wird mittels beispielsweise der empfangenen thermischen Strahlung ein Bild erzeugt. Anhand der Strahlungsintensität werden dadurch Bereiche mit hoher thermischer Strahlung und Bereiche mit niedriger thermischer Strahlung durch helle bzw. dunkle Bildpunkte gekennzeichnet. Bei einer entsprechenden Verteilung an hellen bzw. dunklen Bildpunkten können dabei Rückschlüsse auf die sich ergebende Rauigkeit angestellt werden. Dadurch kann während des Herstellungsprozess auf einfache Weise die resultierende Rauigkeit abgeschätzt werden.In an advantageous development, the parameters are generated on the basis of a brightness and / or darkness distribution of the optical signal. An image of the melt is generated by means of, for example, the thermal radiation received. On the basis of the radiation intensity, areas with high thermal radiation and areas with low thermal radiation are characterized by light or dark pixels. With a corresponding distribution of light or dark pixels, conclusions can be drawn about the resulting roughness. As a result, the resulting roughness can be estimated in a simple manner during the manufacturing process.
Vorteilhafterweise werden die Kenngrößen anhand einer Textur des optischen Signals erzeugt. Die Textur ist dabei eine im Wesentlichen regelmäßige Anordnung des optischen Signals. Anhand dieser im Wesentlichen regelmäßigen Anordnung kann die zu einer entsprechenden in der Datenbank hinterlegten Textur angegebene Rauigkeit, als Rauigkeit für die vorliegende Textur bestimmt werden.The parameters are advantageously generated on the basis of a texture of the optical signal. The texture is an essentially regular arrangement of the optical signal. On the basis of this essentially regular arrangement, the roughness specified for a corresponding texture stored in the database can be determined as roughness for the present texture.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird zum Aufschmelzen des Pulvermaterials und zum Erfassen des optischen Signals ein koaxiales Monitoring-System verwendet. Solche koaxiale Monitoring Systeme sind bereits vielfältig am Markt erhältlich. Es muss somit kein zusätzliches System entwickelt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren wirtschaftlich verwendet werden.In a further advantageous embodiment, a coaxial monitoring system is used to melt the powder material and to detect the optical signal. Such coaxial monitoring systems are already widely available on the market. It is therefore not necessary to develop an additional system in order to carry out the method according to the invention. As a result, the method according to the invention can be used economically.
Die Erfindung wird zusätzlich durch eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst. Die Vorrichtung umfasst dabei wenigstens eine Lasereinrichtung zum Aufschmelzen eines Pulvermaterials, eine Optikeinrichtung zum Erfassen eines optischen Signals, und eine Auswerteeinheit zum Erzeugen von die Oberflächenstruktur beschreibenden Kenngrößen aus dem optischen Signal, und zum Bestimmen eines zu den Kenngrößen in einer Datenbank korrelierten Rauigkeitswert für die Oberfläche.The invention is additionally achieved by a device for performing the method according to the invention. The device comprises at least one laser device for melting a powder material, an optical device for detecting an optical signal, and an evaluation unit for generating parameters describing the surface structure from the optical signal, and for determining a roughness value for the surface correlated with the parameters in a database .
Mit einer solchen Vorrichtung können die zu dem Verfahren genannten Vorteile erzielt werden.The advantages mentioned for the method can be achieved with such a device.
Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Lasereinrichtung und die Optikeinrichtung durch ein koaxiales Monitoring-System ausgebildet. Dadurch müssen die Optikeinrichtung und die Lasereinrichtung nicht separat entwickelt werden. Es kann vielmehr auf ein am Markt bereits erhältliches System zurückgegriffen werden. Dadurch kann eine solche Vorrichtung wirtschaftlich bereitgestellt werden.In an advantageous embodiment of the invention, the laser device and the optical device are formed by a coaxial monitoring system. As a result, the optical device and the laser device do not have to be developed separately. Rather, a system that is already available on the market can be used. Such a device can be provided economically.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
-
1 Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächendetektion für Laserstrahlschmelzen, und -
3 Beispielgraph für die mit dem Verfahren ermittelten Rauigkeitswerte im Vergleich zu den realen Rauigkeitswerten.
-
1 Embodiment of a device for performing the method according to the invention, -
2nd Embodiment of the inventive method for surface detection for laser beam melting, and -
3rd Example graph for the roughness values determined with the method in comparison to the real roughness values.
In
Die Vorrichtung umfasst zusätzlich eine Optikeinrichtung
Aus einer Datenbank
Der zu den ermittelten Kenngrößen gemessene reale Rauigkeitswert wird dabei in der Datenbank
In einem vierten Schritt
Falls der Rauigkeitswert R unterhalb des Grenzwertes RG sein sollte, kann in einem fünften Schritt
In
Die Werte zeigen, dass die während des Prozesses gemessenen Rauigkeitswerte R ab einer Größe für den realen Rauigkeitswert RR tendenziell eine Abschätzung der realen Rauigkeitswerte RR zulassen, so dass diese während des Prozesses ermittelbar sind.The data show that the measured during the process roughness values R tends to allow an estimation of the real roughness values R R from a size of the real roughness R R, so that this can be determined during the process.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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