DE102010027910A1

DE102010027910A1 - Rapid Technologie System mit einem einen Lichtstrahl emittierenden Laser

Info

Publication number: DE102010027910A1
Application number: DE102010027910A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Meixlsperger; Nicolai Skrynecki; Dr. Toepker Jochen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Das erfindungsgemäße Rapid Technologie System umfasst einen Laser, ein Abtastsystem, durch das der Lichtstrahl des Lasers während eines Bauprozesses jeweils auf eine vorgegebene Position des Baufeldes gelenkt wird, und mindestens ein Steuermodul, durch das die Leistung des Lasers und das Abtastsystem steuerbar sind. Neben dem Baufeld ist ein Messfeld zur Temperaturmessung vorgesehen. Das Steuermodul ist derart ausgestaltet, dass es den Lichtstrahl mittels des Abtastsystems zu definierten Bedingungen auf das Messfeld lenkt, um zur Überwachung der Laserleistung eine vorgegebene Laserleistungsmessung durchzuführen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rapid Technologie System mit einem einen Lichtstrahl emittierenden Laser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2006 012 442 B4 bekannt. Hierin werden mögliche Vorrichtungen (z. B. Stereolithographie- oder Lasersintersysteme) im Rahmen von Rapid Technologie Systeme mittels Laser beschrieben. Die Laserabtastung kann insbesondere als Rasterabtastung oder als Vektorabtastung durchgeführt werden. Diese bekannte Druckschrift beschäftigt sich mit dem Problem der Steuerung der Laserleistung, im Speziellen mit Echtzeit-Schwierigkeiten durch die Dynamik bei der Verstellung der Komponenten des Abtastsystems.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Rapid Technologie System eingangs genannter Art in der Weise weiterzubilden, dass gleiche Qualität der im Bauprozess gefertigten Bauteile über längere Zeit sichergestellt wird, so dass auch eine Serienfertigung und nicht nur eine Prototypenfertigung möglich wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Rapid Technologie System umfasst einen Laser, ein Abtastsystem, durch das der Lichtstrahl des Lasers während eines Bauprozesses jeweils auf eine vorgegebene Position des Baufeldes gelenkt wird, und mindestens ein Steuermodul, durch das die Leistung des Lasers und das Abtastsystem steuerbar sind. Neben dem Baufeld ist ein Messfeld (beispielsweise in Form eines Messkopfes, der in seiner Mitte einen Messfühler aufweist) zur Laserleistungsmessung (beispielsweise über Temperaturmessung) vorgesehen. Das Steuermodul ist derart ausgestaltet, dass es den Lichtstrahl des Lasers mittels des Abtastsystems zu definierten Bedingungen auf das Messfeld lenkt, um zur Überwachung der Laserleistung einen vorgegebenen Messablauf durchzuführen.
Vorzugsweise ist das Steuermodul weiterhin derart ausgestaltet dass zur Durchführung des vorgegebenen Messablaufes mittels entsprechender Steuerung des Abtastsystems sequentiell der Lichtstrahl des Lasers am Austrittsort des Scankopfes aus mehreren definierten Positionen über dem Messfeld auf das Messfeld gelenkt wird und dass für jede definierte Position eine Laserleistungsmessung durchgeführt wird. Hierbei kann bei einem Abtastsystem mit einem am Lichtstrahlaustrittsort auslenkbaren Laser zusätzlich in jeder Position auch eine Auslenkung des Laserstrahls in Richtung der Mitte des Messfeldes vorgenommen werden, um eine erhöhte Messgenauigkeit zu erreichen.
Der Erfindung liegen folgende Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde:
Während eines Bauprozesses insbesondere bei Strahlschmelzverfahren mittels Laser-Lichtstrahlen, der mehrere Stunden dauern kann, kann die Leistung des Lasers erfahrungsgemäß schwanken und insbesondere über eine längere Laufzeit abnehmen. Hierdurch kann die Porosität eines derart hergestellten Objekts erhöht und somit seine mechanischen Eigenschaften reduziert werden.
Die übliche Laserleistungsüberwachung besteht aus je einer Messung der Laserleistung vor und nach jedem Bauprozess am Laserausgang.
Die Überwachung des unausgelenkten Strahls am Laserausgang ist nicht ausreichend, um eine qualifizierte Aussage bezüglich der Laserleistung über den gesamten Quadranten treffen zu können.
Der Einfluss der Laserleistung auf den Bauprozess äußert sich in der Bildung von Porositäten ober- und unterhalb eines optimalen Prozessfensters. Die Einstellung einer bestimmten Laserleistung am Baufeld ist über die Steuerung des Diodenstromes durchzuführen.
Eine automatische Anpassung der Laserleistung am Baufeld – also bei ausgelenktem Laserstrahl – ist notwendig, um Bauteile mit möglichst geringen Porositäten herstellen zu können. Die Reproduzierbarkeit von mechanischen Eigenschaften kann nur durch eine gleichmäßige Energieeinbringung in das Pulverbett gewährleistet werden.
Die Verbindung des Messkopfes (Messfeldes) im Technologiemodul mit dem Steuermodul (Rechner) erfolgt vorzugsweise über eine USB-Kabelführung. Unter dem Begriff Messfeld wird sowohl ein Messfühler als auch ein Messkopf mit Messfühler umfasst.
Vorzugsweise ist ein Schutzmechanismus für den Messkopf bzw. das Messfeld vorzusehen. Die Abdeckung sollte den Messkopf vor Verschmutzungen wie Staub und Schweißspritzer schützen.
Vorzugsweise wird vom Steuermodul (z. B. Rechner mit Bildschirm) auch eine graphische Auswertung der Messergebnisse vorgenommen. Die Ergebnisse müssen während des Bauprozesses einsehbar sein.
Die Laserleistungsmessung in den Eckbereichen des Belichtungsfeldes geschieht durch Verfahren des Scankopfes. Hierbei wird vorzugsweise der Laserstrahl am Austrittsort des Scankopfes zum Mittelpunkt des Messfeldes ausgelenkt, um Messungenauigkeiten zu vermeiden. Bei Anlagen mit starrem Scankopf muss der Mittelpunkt des Messfeldes dem Auslenkungszustand des Laserstrahles folgen, um eine mittige Belichtung und damit vergleichbare Messergebnisse gewährleisten zu können. Die Positionierungsstrecken werden in Maschinenkoordinaten einmalig bestimmt und für eine spätere Auswertung abgespeichert. Durch die Genauigkeit der Linearmotoren und Galvanometer ist die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse gewährleistet.
Beispielsweise wird bei einer ersten definierten Differenz der Messwerte (z. B. 2 W) vom Sollwert der Diodenstrom entsprechend (z. B. um ±0,1 A) nachgeregelt und die Messung erneut durchgeführt. Dieser Zyklus wird so oft durchlaufen bis der Sollwert erreicht ist. Weichen mehrere Messwerte untereinander um mehr als eine zweite definierte Differenz (z. B. 4 W) ab, führt dies zum Bauprozessabbruch.
Weicht ein Messwert um eine dritte definierte Differenz (z. B. 5 W) vom Sollwert ab, wird der Bauprozess ebenfalls unterbrochen, da dieser hohe Abfall auf Probleme im Scansystem zurückzuführen ist. Vorzugsweise ist die erste Differenz dabei kleiner als die zweite Differenz und diese wiederum kleiner als die dritte Differenz.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt
1 schematisch einen Gesamtüberblick über alle wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Systems sowie eine Detailansicht des erfindungsgemäßen Messfeldes,
2 einen möglichen Verfahrensablauf mittels des erfindungsgemäßen Systems, der durch das Steuermodul durchgeführt wird, und
3 das Prinzip eines möglichen vorgegebenen Messablaufes mittels des erfindungsgemäßen Systems.
Das erfindungsgemäße Rapid Technologie System gemäß 1 umfasst einen Laser A, ein Abtastsystem D, das hier zwei Umlenkspiegel B1 und B2 aufweist, und ein Steuermodul AS. Das Abtastsystem D soll im lediglich schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel in einem positionierbaren Scankopf D1 integriert sein. Durch das Steuermodul AS und das Abtastsystem D wird der vom Laser A emittierte Lichtstrahl C während eines Bauprozesses eines durch Strahlschmelzen herzustellenden Objektes jeweils auf eine vorgegebene Position des Baufeldes E (auch Zieloberfläche genannt) eines Technologiemoduls F gelenkt. Der Scankopf D1 kann beispielsweise durch einen optischen und/oder mechanischen Verstellmechanismus den Lichtstrahl C zusätzlich umlenken, so dass eine Vektorabtastung im Raum möglich ist. Die Grundidee der Erfindung ist jedoch auch mit einem einfacheren Abtastsystem, das beispielsweise nur eine Rasterabtastung vornimmt, durchführbar.
Durch das Steuermodul AS wird auch die Leistung des Lasers A gesteuert. Neben dem Baufeld E ist ein Messfeld G (beispielsweise in Form eines aus dem Technologiemodul F herausragenden Messkopfes mit einem in seiner Mitte angebrachten Messfühler M) zur Temperaturmessung vorgesehen. Das Steuermodul AS ist derart ausgestaltet bzw. programmiert, dass es den Lichtstrahl C mittels des Abtastsystems D zu definierten Bedingungen auf das Messfeld G lenkt, um zur Überwachung der Laserleistung eine vorgegebene Temperaturmessung durchzuführen.
Hierzu kann beispielsweise der Scankopf D1 in der Weise ausgestaltet sein und vom Baufeld E zum Messfeld G bewegt werden, dass er eine mittels einer Federvorrichtung J betätigte Platte H zur Freigabe des Messfeldes G entgegen der Federkraft (Pfeil nach links) verschiebt. Die Platte H deckt das Messfeld G grundsätzlich gegen Verschmutzung ab, wenn keine Temperaturmessung vorgenommen wird.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zur Laserleistungsmessung eine Temperaturmessung vorgenommen. Die Laserleistungsmessung soll jedoch nicht auf eine Temperaturmessung beschränkt sein. Vorgegebene Bedingungen, die die Temperaturmessung zur Überwachung der Laserleistung veranlassen, sind vorzugsweise vor dem Start eines Bauprozesses, nach dem Ende eines Bauprozesses und regelmäßige Zeitabstände (z. B. alle 5 Stunden) während eines Bauprozessen. Während eines Bauprozesses kann also bei Vorliegen einer vorgegebenen Bedingung, wie der Ablauf einer vorgegebenen Zeit, der Bauprozess für die Zeit der Temperaturmessung unterbrochen werden.
Zur Temperaturmessung verlässt demnach der Scankopf D1 das Baufeld E und fährt über das Messfeld G. Vorzugsweise ist das Steuermodul AS weiterhin derart ausgestaltet bzw. programmiert, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis der vorgegebenen Temperaturmessung die Leistung des Lasers A nachgeregelt wird oder der Bauprozess komplett abgebrochen wird.
Über dem Messfeld G wird vorzugsweise mittels entsprechender Steuerung des Abtastsystems D sequentiell der Lichtstrahl C des Lasers A aus mehreren – hier aus neun – definierten Positionen (i = 1 bis 9) auf das Messfeld G gelenkt. 3 zeigt das Prinzip des Messablaufes in Form von neun Messschritten in neun Positionen des Belichtungsfeldes L über dem Messfeld G. In diesem Ausführungsbeispiel sei der Scankopf D1 für eine Vektorabtastung zusätzlich in Richtung des Messfühlers M in der Mitte des Messfeldes G auslenkbar (siehe gestrichelte Pfeile innerhalb des Belichtungsfeldes L). Nur in Position 5 ist keine Auslenkung erforderlich.
Als Beispiel ist in 1 die Position 1 des Scankopfes D1 dargestellt, wobei der Laserstrahl C vorzugsweise zur Mitte M des Messfeldes G ausgelenkt ist. Dies ist für die erfindungsgemäße Laserleistungsmessung jedoch nicht zwangsweise nötig.
Für jede definierte Position wird eine Temperaturmessung durchgeführt, wodurch i (also hier 9) Temperaturwerte T_i erfasst und ausgewertet werden. Aus den Temperaturwerten T_i können beispielsweise Leistungswerte berechnet und auch Leistungsverläufe über der Zeit aufgezeichnet werden. Das Messfeld G bzw. M kann jedoch auch direkt an ein Messgerät angeschlossen sein, das bei der Messung bereits unmittelbar Laserleistungwerte P_i ermittelt. Nach dem vorliegenden Beispiel ergeben sich also neun Leistungswerte oder Leistungskurven P_i.
Ein Abschalten des Bauprozesses findet statt, wenn die Werte aus den Temperaturmessungen einen vorgegebenen ersten Differenzwert zu einem Sollwert überschreiten. Grundsätzlich findet ein Nachregeln der Laserleistung während des Bauprozesses statt, wenn die Werte T_i oder P_i aus den Temperaturmessungen einen vorgegebenen zweiten Differenzwert zu einem Sollwert überschreiten, wobei der zweite Differenzwert kleiner als der erste Differenzwert ist.
Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel zur genaueren Auswertung der Werte P_i wird im Zusammenhang mit 2 beschrieben:
Die gestrichelten Blöcke in 2 stellen den Bauprozess dar, wonach in den Blöcken 1 und 2 das Baufeld in üblicher Weise beschichtet (Pulverbeschichtung) wird. In Block 3 wird abgefragt, ob eine vorgegebene Zeit (z. B. 5 h) seit der letzten Temperaturmessung schon vergangen ist. Wenn dies verneint wird, wird der Laser A in Block 4 zum Belichten der Beschichtung in üblicherweise eingeschalten. In Block 5 wird abgefragt, ob der Bauprozess für ein gesamtes Objekt abgeschlossen ist. Wird dies verneint, werden die Blöcke 1 bis 5 erneut durchgeführt.
Wird jedoch in Block 3 festgestellt, dass die vorgegebene Zeit – hier 5 Stunden (5 h) – bereits abgelaufen ist, wird die erfindungsgemäße Überwachung der Laserleistung in Block 6 gestartet.
In den Blöcken 7 und 8 werden die i Messungen (i = 1 bis 9), wie in 1 beschrieben, durchgeführt. Die Messwerte T_i werden im Steuermodul AS gespeichert, hier in Leistungswerte P_i umgerechnet, und in folgender Weise ausgewertet:
In Block 9 kann überprüft werden, ob die i Leistungswerte P_i untereinander um weniger als einen vorgegebenen Betrag abweichen – z. B. ΔP_i-i < 4 W? – wonach in Block 14 ein Abbruch des Bauprozesses erfolgt, wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist. Der Block 9 muss jedoch nicht zwangsweise durchgeführt werden.
In Block 10 wird überprüft, ob einer der Leistungswerte P_i um weniger als einen vorgegebenen verhältnismäßig großen ersten Differenzbetrag vom Leistungssollwert P_soll – z. B. |P_soll – P_i| < 5 W? abweicht, wonach ein Abbruch des Bauprozesses erfolgt, wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird in Block 11 überprüft, ob einer der Leistungswerte P_i um weniger als einen vorgegebenen zweiten Differenzbetrag vom Leistungssollwert P_soll – z. B. |P_soll – P_i| < 2 W? – abweicht, wobei der zweite Differenzbetrag kleiner als der erste Differenzbetrag ist. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, wird die Leistung des Lasers A in Block 12 um einen vorgegebenen Betrag erhöht. Anderenfalls wird der Bauprozess weitergeführt, wenn nicht in Block 13 festgestellt wird, dass er bereits beendet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006012442 B4 [0002]

Claims

Rapid Technologie System mit einem einen Lichtstrahl (C) emittierenden Laser (A), mit einem Abtastsystem (D; B1, B2, D1), durch das der Lichtstrahl (C) des Lasers (A) während eines Bauprozesses jeweils auf eine vorgegebene Position des Baufeldes (E) gelenkt wird, und mit mindestens einem Steuermodul (AS), durch das die Leistung des Lasers (A) und das Abtastsystem (D) steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Baufeld (E) ein Messfeld (G, M) zur Laserleistungsmessung vorgesehen ist und dass das Steuermodul (AS) derart ausgestaltet ist, dass es den Lichtstrahl (C) für eine vorgegebene Laserleistungsmessung mittels des Abtastsystems (D) zu definierten Bedingungen auf das Messfeld (G, M) lenkt.
Rapid Technologie System nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (AS) weiterhin derart ausgestaltet ist, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis der vorgegebenen Laserleistungmessung die Leistung des Lasers (A) gesteuert wird oder der Bauprozess abgebrochen wird.
Rapid Technologie System nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (AS) weiterhin derart ausgestaltet ist, dass mittels entsprechender Steuerung des Abtastsystems (D) sequentiell der Lichtstrahl (C) des Lasers (A) aus mehreren definierten Positionen (i = 1, 2, ... 9) auf das Messfeld (G, M) gelenkt wird und dass für jede definierte Position (i = 1, 2, ... 9) eine Laserleistungsmessung durchgeführt wird.
Rapid Technologie System nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (AS) weiterhin derart ausgestaltet ist, dass ein Abschalten des Bauprozesses stattfindet, wenn die Werte (P_i) aus den Laserleistungsmessungen einen vorgegebenen ersten Differenzwert (5 W) zu einem Sollwert (P_soll) überschreiten.
Rapid Technologie System nach dem vorangegangenen Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermodul (AS) weiterhin derart ausgestaltet ist, dass ein Nachregeln der Laserleistung stattfindet, wenn die Werte (P_i) aus den Laserleistungsmessungen einen vorgegebenen zweiten Differenzwert (2 W) zu einem Sollwert (P_soll) überschreiten, wobei der zweite Differenzwert kleiner als der erste Differenzwert ist.
Rapid Technologie System nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messfeld (G, M) mittels einer Platte (H) gegen Verschmutzung abgedeckt wird, die zur Laserleistungsmessung vom Abtastsystem (D; D1) zur Freigabe des Messfeldes (G, M) verschoben wird.