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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kalibrierungssystem und ein Verfahren sowie eine Verwendung einer Kalibrierungshilfe zur Kalibrierung eines Energiestrahls.
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Bei der Herstellung von Prototypen und inzwischen auch in der Serienfertigung werden additive Fertigungsprozesse immer relevanter. Im Allgemeinen sind unter „additiven Fertigungsprozessen“ solche Fertigungsprozesse zu verstehen, bei denen, in der Regel auf Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten, durch das Anlagern von Material ein Fertigungsprodukt bzw. Bauteil aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt meist dadurch, dass ein Aufbaumaterial schichtweise aufgebracht und selektiv verfestigt wird. Als ein Synonym für die additive Fertigung wird häufig auch der Begriff „3D-Druck“ verwendet, die Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen mit additiven Fertigungsprozessen wird oft als „Rapid Prototyping“, die Herstellung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ und die Herstellung von Serienprodukten als „Direct Manufacturing“ bezeichnet.
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Die selektive Verfestigung des Aufbaumaterials erfolgt oftmals dadurch, dass wiederholt dünne Schichten des meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebracht und durch räumlich begrenztes Bestrahlen mittels eines Energiestrahls, z. B. mittels Licht- und/oder Wärme- und/oder Teilchenstrahlung, an den Stellen verfestigt werden, die nach der Fertigung zum herzustellenden Fertigungsprodukt gehören sollen. Ein Beispiel für ein mit einer Bestrahlung arbeitendes Verfahren ist „Laser Powder Bed Fusion“ bzw. „Selektives Laserschmelzen“. Die Pulverkörner des Aufbaumaterials werden im Zuge des Verfestigens mit Hilfe der durch die Strahlung an dieser Stelle lokal eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen. Nach einer Abkühlung sind diese Pulverkörner dann miteinander in Form eines Festkörpers miteinander verbunden.
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Bei einer solchen Herstellung ist es häufig erforderlich, dass ein Prozessgas zu Inertisierungs, Kühl- oder Abführungszwecken (insbesondere mit einem Gebläse) durch die Prozesskammer geleitet wird. Das heißt, dass der additive Fertigungsprozess unter einer Prozessgas-Atmosphäre erfolgt, die sich in ihren Eigenschaften - gegebenenfalls. wesentlich - von der normalen Umgebungsatmosphäre unterscheidet. Beispielsweise kann die Prozessgas-Atmosphäre einen geringeren Gehalt an Luftfeuchtigkeit als die normale Umgebungsatmosphäre aufweisen.
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Bisweilen besteht die Notwendigkeit, den Energiestrahl zu kalibrieren, um die Eigenschaften des Energiestrahls für die Fertigung möglichst optimal einzustellen. Dafür wird ein Messinstrument in den Strahlengang eingebracht, das Messwerte zu bestimmten Strahleigenschaften des Energiestrahls erfasst. Um für die Kalibrierung möglichst dieselbe Atmosphäre wie bei der additiven Fertigung bereitzustellen, wird für die Kalibrierung bisher üblicherweise die gesamte Prozesskammer mit dem Prozessgas geflutet. Dies ist insbesondere zeitaufwändig, wenn mehrere Kalibrierungsschritte durchgeführt werden müssen und/oder die Prozesskammer zum sicheren Öffnen zunächst wieder auf eine normale Umgebungsatmosphäre gebracht werden muss.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kalibrierung eines Energiestrahls einer additiven Fertigungsvorrichtung zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kalibrierungssystem nach Patentanspruch 1, ein Verfahren zur Kalibrierung eines Energiestrahls nach Patentanspruch 13 sowie eine Verwendung einer Kalibrierungshilfe zur Kalibrierung eines Energiestrahls nach Patentanspruch 15 gelöst.
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Das eingangs genannte Kalibrierungssystem für einen Energiestrahl einer additiven Fertigungsvorrichtung umfasst eine additive Fertigungsvorrichtung mit einem Strahleintritt für den Energiestrahl. Ferner umfasst es eine Gasversorgung zur Bereitstellung eines für eine Kalibrierung geeigneten Gases, eine Messeinheit zum Erfassen einer Strahleigenschaft des Energiestrahls sowie eine Kalibrierungshilfe mit einem Hohlraum und einer Einströmöffnung zur Einleitung des Gases in den Hohlraum. Dabei ist die Kalibrierungshilfe in der additiven Fertigungsvorrichtung so angeordnet, dass der Energiestrahl vom Strahleintritt bis zur Messeinheit vom Hohlraum umschlossen ist, und das Gas wird für die Kalibrierung in den Hohlraum eingeströmt.
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Bei dem Energiestrahl handelt es sich grundsätzlich um einen beliebigen Energiestrahl, der zum selektiven Schmelzen bzw. Sintern eines entsprechenden Materials zur additiven Fertigung geeignet ist. Z. B wird der Energiestrahl mittels eines Lasers, bevorzugt mittels eines CO-Lasers erzeugt. Es kann sich beispielsweise auch um einen CO2-Laser, einen Diodenlaser, insbesondere einen Diodenlaser mit 4-7µm Wellenlänge, einen Nd:YAG-Laser, einen Elektronenstrahl oder dergleichen handeln.
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Der Energiestrahl tritt im Betrieb über den - zumindest einen - Strahleintritt in die Prozesskammer bzw. in den Bauraum der additiven Fertigungsvorrichtung ein. Der Strahleintritt kann in einfacher Weise als Öffnung bzw. Durchbruch in die Prozesskammer ausgebildet sein. Um das Volumen der mit Prozessgas zu füllenden Bereiche klein zu halten, ist die Prozesskammer jedoch vorzugsweise gasdicht von anderen Bereichen der additiven Fertigungsvorrichtung, wie z. B. einer Optikkammer für die optischen Elemente zur Einstellung des Energiestrahls, abgetrennt. Der Strahleintritt ist daher beispielsweise als für den Energiestrahl transparentes Einkopplungsfenster ausgebildet.
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Das für die Kalibrierung geeignete Gas wird in Abhängigkeit vom Energiestrahl, d. h. abhängig von der Art des Energiestrahls gewählt. Es weist zumindest ähnliche optische Eigenschaften wie das Prozessgas auf. Bevorzugt ist bei einem CO-Laser als Energiestrahl trockene Luft oder Stickstoff als Gas für die Kalibrierung geeignet. Das Gas wird z. B. mittels Gasflasche, mittels einer separaten hausinternen Gasversorgung oder bevorzugt mittels der Gasversorgung der additiven Fertigungsvorrichtung bereitgestellt.
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Der Hohlraum der Kalibrierungshilfe ist von einem Hohlkörper umschlossen. Der Hohlkörper kann dabei im Wesentlichen durch entsprechende Elemente der Kalibrierungshilfe gebildet sein. Alternativ wird der Hohlkörper durch ein Zusammenwirken von Elementen der Kalibrierungshilfe mit Elementen der additiven Fertigungsvorrichtung, wie z. B. einer Wandung der Prozesskammer und/oder dem Einkoppelfenster bzw. Strahleintritt gebildet sein. Somit ist im bestimmungsgemäßen Betrieb zugleich der Energiestrahl vom Strahleintritt bis zur Messeinheit bzw. zum Messinstrument eingehaust. Das heißt, der Strahlenweg bzw. Strahlengang des Energiestrahls ist innerhalb der Prozesskammer durch den Strahleintritt, die Kalibrierungshilfe und das Messinstrument weitgehend eingeschlossen. Er verläuft durch den Hohlraum der Kalibrierungshilfe. Somit ist der Strahlenweg im Kalibrierungssystem von der Umgebungsatmosphäre abgeschirmt, die gegebenenfalls Eigenschaften aufweisen kann, die für eine exakte Kalibrierung hinderlich wären. Dadurch wird die Reproduzierbarkeit der Kalibrierung verbessert.
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Für die Kalibrierung wird das Gas durch die Einströmöffnung in den Hohlraum der Kalibrierungshilfe eingeströmt bzw. eingeleitet. Dazu ist die Einströmöffnung fluidisch, z. B. mittels eines Schlauchs oder Ähnlichem, mit der Gasversorgung verbunden.
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Die Messeinheit ist in Abhängigkeit von der zu erfassenden Strahleigenschaft des Energiestrahls ausgebildet. Wenn beispielsweise mittels der Messeinheit die Leistung des Energiestrahls als Strahleigenschaft gemessen bzw. erfasst wird, ist die Messeinheit als Powermeter ausgebildet. Sie ist angrenzend an die Kalibrierungshilfe so angeordnet und bevorzugt so daran befestigt, dass der Energiestrahl auf einen Messbereich der Messeinheit trifft.
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Die Kalibrierungshilfe ist bevorzugt also eine von der additiven Fertigungsvorrichtung leicht trennbare bzw. aus der Prozesskammer herausnehmbare Zusatzeinheit, die lediglich für die Kalibrierung des Energiestrahls in die Prozesskammer eingebracht wird.
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Dementsprechend weist das eingangs genannte Verfahren zur Kalibrierung eines Energiestrahls einer additiven Fertigungsvorrichtung, welche einen Strahleintritt umfasst, zumindest folgende Schritte auf: In einem Schritt wird eine Kalibrierungshilfe bereitgestellt, welche einen Hohlraum und eine Einströmöffnung zur Einleitung eines für die Kalibrierung geeigneten Gases umfasst. In einem weiteren Schritt wird die Kalibrierungshilfe in die additive Fertigungsvorrichtung eingebracht, sodass der Energiestrahl vom Strahleintritt bis zu einer Messeinheit weitgehend vom Hohlraum umschlossen ist Der Hohlraum der Kalibrierungshilfe wird in einem weiteren Schritt mit dem Gas beströmt. Währenddessen wird in einem folgenden Schritt die Kalibrierung des Strahlwegs durchgeführt. Dabei erfasst die Messeinheit eine Strahleigenschaft des Energiestrahls.
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Das Verfahren umfasst somit im Wesentlichen die funktional ausgestalteten Merkmale des zuvor beschriebenen Kalibrierungssystems. Nach der erfolgten Kalibrierung werden die Kalibrierungshilfe und die Messeinheit bevorzugt aus der Prozesskammer entfernt, um additive Fertigungsprozesse mittels der additiven Fertigungsvorrichtung ausführen zu können.
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Wie eingangs erwähnt wird eine Kalibrierungshilfe erfindungsgemäß zur Kalibrierung eines Energiestrahls einer additiven Fertigungsvorrichtung verwendet. Dabei wird die Kalibrierungshilfe mit ihrem Hohlraum in die additive Fertigungsvorrichtung eingebracht, sodass der Energiestrahl vom Strahleintritt bis zu einer Messeinheit im Hohlraum umschlossen ist. Während der Kalibrierung des Strahlwegs wird der Hohlraum der Kalibrierungshilfe mit einem für die Kalibrierung geeigneten Gas beströmt und mittels der Messeinheit eine Strahleigenschaft des Energiestrahls erfasst.
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Im Vergleich zur Flutung der gesamten Prozesskammer verringert der erfindungsgemäße Einsatz der Kalibrierungshilfe in der Prozesskammer einer additiven Fertigungsvorrichtung also vorteilhafterweise das Volumen, das für die Kalibrierung des Energiestrahls mit dem für die Kalibrierung geeigneten Gas beströmt bzw. geflutet werden muss. Dadurch wird die für die Kalibrierung benötigte Zeit insbesondere verringert. Dies ist insbesondere der Fall, wenn mehrere Kalibrierungsschritte und somit mehrere Flutungen nach neuer, angepasster Einstellung des Energiestrahls notwendig sind.
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Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
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Das für die Kalibrierung geeignete Gas wird im Folgenden als „Gas“ bezeichnet. Vorzugsweise wird das Gas so in den Hohlraum geleitet, dass während der Kalibrierung in dem Hohlraum eine relative Feuchte unterhalb von 5%, besonders bevorzugt unterhalb von 4%, ganz besonders bevorzugt unterhalb von 3% gehalten wird. Die relative Feuchte ist wie eingangs beschrieben beispielsweise für die Strahleigenschaften eines CO-Lasers oder eines Diodenlasers mit 4-7µm Wellenlänge relevant. Da die relative Feuchte bei einem additiven Fertigungsprozess ähnlich niedrig ist wie bei den bevorzugten Feuchtewerten, ist es vorteilhaft, den Energiestrahl auch unter diesen Bedingungen zu kalibrieren. Bevorzugt beträgt eine Temperatur des Gases während der Kalibrierung mindestens 10°C und/oder höchstens 50°C.
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Demgegenüber herrscht im restlichen Volumen der Prozesskammer der additiven Fertigungsvorrichtung während der Beströmung des Hohlraums eine typische relative Umgebungsfeuchte, die im Mittel bevorzugt größer 3%, weiter bevorzugt größer 5%, noch weiter bevorzugt größer 10%, besonders bevorzugt größer 20% ist.
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Der Hohlraum des Kalibrierungssystems, also das Volumen zwischen dem Strahleintritt, der Kalibrierungshilfe und dem Messinstrument, muss dabei nicht gasdicht abgeschlossen sein. Bevorzugt weist es, z. B. an den Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Elementen, kleine Spaltmaße auf, durch die das Gas ausströmen kann. Dadurch wird vorteilhafterweise - insbesondere beim ersten Fluten des Hohlraums mit dem Gas - die Gaszusammensetzung der Umgebungsatmosphäre aus dem Hohlraum verdrängt.
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Das Gas wird bevorzugt mittels der Gasversorgung der additiven Fertigungsvorrichtung bereitgestellt. Dies ist vorteilhaft, da unmittelbar dasselbe Gas wie bei dem Fertigungsprozess genutzt wird und so im Wesentlichen dieselben optischen Bedingungen wie in der Prozessgas-Atmosphäre herrschen.
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Die Gaseinleitung in den Hohlraum erfolgt bevorzugt über einen separaten Anschluss bzw. Einlass in der Prozesskammer. Das heißt, in der Prozesskammer ist bevorzugt ein zusätzlicher Gasanschluss bzw. Gaseinlass für die Kalibrierung angeordnet. Für die Kalibrierung werden also bevorzugt nicht der eine oder mehrere vorhandene Gaseinlässe in die Prozesskammer verwendet, die zu einer relativ großvolumigen Inertisierung und/oder einer Reinigung des Prozesskammervolumens von Verunreinigungen des Prozessgases dienen. Die Einlässe für den Fertigungsprozess müssen somit nicht verstellt werden. Zudem ist der separate Anschluss zur Kalibrierung bevorzugt unabhängig von den weiteren Einlässen ansteuerbar bzw. regelbar. Durch den derart regelbaren Volumenstrom des Gases für die Kalibrierung können beispielsweise auch die zuvor genannten relativen Feuchtewerte im Hohlraum erzielt werden.
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Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltungsform wird eine Anzahl vorhandener Gaseinlässe in die Prozesskammer zur Bereitstellung des für die Kalibrierung geeigneten Gases genutzt. Dazu wird besonders bevorzugt das Gas mittels einer einer Anzahl von Strahleintritten zugeordneten Anströmeinrichtung der additiven Fertigungsvorrichtung bereitgestellt. Im regulären Fertigungsbetrieb wird die Anströmeinrichtung bzw. Freiblasungseinrichtung zur gerichteten Anströmung mindestens eines Strahleintritts bzw. Laser-Windows bzw. Einkoppelfensters genutzt. Zur Durchführung der Kalibrierung wird die Anströmeinrichtung separat aktiviert und geregelt bzw. angesteuert, während andere Einrichtungen zur globalen Flutung/Beströmung der Prozesskammer mit Prozessgas/Inertgas gleichzeitig deaktiviert sein können. Die Anströmeinrichtung versorgt zur Durchführung der Kalibrierung also die Einströmöffnung der Kalibrierungshilfe mit dem für die Kalibrierung geeigneten Gas.
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Beispielsweise kann der Hohlraum der Kalibrierungshilfe in der bestimmungsgemäßen Position an eine prozesskammerseitige Öffnung (Gaseinlass) der Anströmeinrichtung angedockt sein und während der Kalibrierung das Gas in den Bereich zwischen Strahleintritt bzw. Einkoppelfenster und Messeinheit leiten. Eine relative Gasdichtigkeit kann z. B. durch eine zur Geometrie der Deckenwandung bereichsweise komplementäre Ausbildung der Kalibrierungshilfe erreicht werden. Das heißt, die Kalibrierungshilfe schließt aufgrund ihrer Formgebung im Wesentlichen gasdicht - z. B. durch entsprechende Positions- und Fertigungsgenauigkeit und/oder mittels zusätzlicher Dichtungen - an Wandung bzw. Deckenwandung der Prozesskammer an.
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Die Kalibrierungshilfe bildet vorzugsweise in einer bestimmungsgemäßen Position im Zusammenwirken mit einer Prozesskammerwandung der additiven Fertigungsvorrichtung den Hohlraum aus. Dabei liegt die Einströmöffnung der Kalibrierungshilfe besonders bevorzugt an einer Gasaustrittsöffnung der Anströmeinrichtung an und ist damit fluidisch verbunden.
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Der Hohlraum dient also als Gasführung bzw. als ein Gaskanal und kann z. B. durch Ausnehmungen bzw. eine Ausbildung der Kalibrierungshilfe realisiert sein, die in der bestimmungsgemäßen Position bereichsweise von der Prozesskammerwandung beabstandete Oberflächen umfasst. Im bestimmungsgemäß angedockten Zustand an die Anströmeinrichtung und/oder an eine Prozesskammerdecke und/oder -wandung kann die erfindungsgemäße Kalibrierungshilfe mit der Messeinheit den Hohlraum bzw. also einen durchströmten Spalt bzw. Kanal formen. Der derart gebildete Hohlraum kann eine Ausströmöffnung aufweisen, die im bestimmungsgemäßen Betrieb als einzige Öffnung der Kalibrierungshilfe das einströmende Gas in das Innere der Prozesskammer austreten lässt.
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Ein vorteilhafter Synergieeffekt ergibt sich bei dieser Ausgestaltungsform dadurch, dass derartige Anströmeinrichtungen in der Regel an einer Deckenwandung der Prozesskammer und in der Nähe der vorhandenen Anzahl von Strahleintritten bzw. Einkoppelfenstern angeordnet sind. Ihre Nutzung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Kalibrierungssystems dient folglich außerhalb des Fertigungsprozesses einem weiteren Zweck, sodass sonst ggf. zusätzlich notwendige Anschlüsse, Ventile und/oder Leitungsführungen vorteilhafterweise einspart werden.
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Der Hohlraum weist vorzugsweise eine variable Höhe auf. Mit anderen Worten ist der Abstand zwischen dem Strahleintritt und der Messeinheit mittels des Hohlraums, insbesondere mittels der Elemente, die den Hohlkörper bilden, einstellbar bzw. verstellbar. Dadurch können beispielsweise die Strahleigenschaften des Energiestrahls in verschiedenen Höhenpositionen der Fertigungsebene bzw. des Baufelds kalibriert werden. Detaillierte Ausgestaltungsformen werden im Folgenden beschrieben.
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Um die Höhe zu variieren, ist der Hohlraum bevorzugt dehnbar ausbildet. Dazu kann der Hohlraum, d. h. insbesondere der Hohlkörper, besonders bevorzugt aus einem elastischen Material, insbesondere als Schlauch, gefertigt sein. Alternativ oder zusätzlich kann er besonders bevorzugt als Faltenbalg oder ähnlich dehnbares Element ausgestaltet sein. Zumindest weist der Hohlkörper bevorzugt entsprechend dehnbare Bereiche auf. Durch diese Ausgestaltung kann zum einen die Höhenposition der Messeinheit variiert werden, aber auch die Position innerhalb der Fertigungsebene senkrecht zur Höhe.
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Ferner können der Hohlraum bzw. der Hohlkörper besonders bevorzugt als elastisches Zelt oder als Zelt in Form eines Faltenbalgs ausgestaltet sein. Dabei kann er z. B. Pyramidenform oder Kegelform aufweisen. Anders als bei einer im Wesentlichen linearen bzw. röhrenförmigen Ausgestaltung des Hohlkörpers ermöglicht es eine zeltartige, pyramidenförmige oder kegelförmige Ausgestaltung, Kalibrierungsmessungen über das gesamte Baufeld ohne Umpositionierung der Kalibrierungshilfe durchzuführen.
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Um die Höhe zu variieren, ist der Hohlraum bzw. der Hohlkörper alternativ oder zusätzlich bevorzugt ausziehbar ausgestaltet. D. h. er weist zumindest einen ausziehbaren Teil bzw. einen Auszug auf. Er kann dabei auch starre Komponenten umfassen. Bei dem Auszug kann es sich beispielsweise um einen Teleskopauszug handeln.
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Vorzugsweise weist die Kalibrierungshilfe an zumindest einem, besonders bevorzugt an jedem, Ende des Hohlkörpers ein Gelenk auf. Als Gelenk kann beispielsweise ein einfaches Drehgelenk oder eine Kombination von mehreren Gelenken dienen. Das Gelenk kann z. B. auch balgartig ausgebildet sein. Ganz besonders bevorzugt ist das Gelenk jedoch als Kugelgelenk ausgestaltet. Mittels des Gelenks, insbesondere in Kombination mit der variablen Höhe des Hohlraums bzw. Hohlkörpers, lässt sich die Messeinheit vorteilhafterweise bei beliebigen Höheneinstellungen der Fertigungsebene an verschiedenen Positionen, insbesondere an unterschiedlichen für die Kalibrierung erforderlichen Positionen, in der Fertigungsebene positionieren. Dabei bleibt der Strahlweg vom Hohlkörper umschlossen bzw. in dessen Hohlraum eingeschlossen, sodass der Energiestrahl während der Kalibrierung durch das für die Kalibrierung geeignete Gas verläuft.
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Die Kalibrierungshilfe ist bevorzugt selbsthaltend ausgebildet. Das heißt, sie ist bevorzugt so ausgebildet, dass sie eine einmal eingestellte Höhe und/oder eingestellte Gelenkstellung hält. Die Kalibrierungshilfe ist also besonders bevorzugt derart selbsthaltend ausgebildet, dass sie sich in der additiven Fertigungsvorrichtung positionsfest und/oder dimensionsfest hält.
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Dies wird beispielsweise dadurch erzielt, dass sich zwischen den einzelnen einstellbaren Elementen ein Reibungswiderstand ergibt. Der Reibungswiderstand kann dabei durch ein relativ geringes Spiel und/oder entsprechende Oberflächeneigenschaften, insbesondere durch eine geeignete Oberflächenrauigkeit, der Elemente erzeugt werden. Der Reibungswiderstand ist bevorzugt bei einer manuellen Verstellung leicht zu überwinden, ist jedoch ausreichend, dass die einzelnen Elemente ohne äußere Einwirkung ihre relative Stellung bzw. Anordnung halten.
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Das Kalibrierungssystem weist bevorzugt Befestigungsmittel zur Anbringung der Kalibrierungshilfe an der additiven Fertigungsvorrichtung auf. Die Befestigungsmittel sind beispielsweise an der Kalibrierungshilfe oder der additiven Fertigungsvorrichtung angeordnet. Sie sind bevorzugt als einen Formschluss und/oder Reibschluss ausbildende komplementäre Elemente ausgestaltet. Die Kalibrierungshilfe kann beispielsweise mithilfe von Klemmschrauben oder einem Clipverschluss, insbesondere mittels händisch lösbarer, formschlüssiger Rastnasen, weiterer formschlüssiger Elemente und/oder dergleichen realisiert sein. Dabei wird die Kalibrierungshilfe bevorzugt im Bereich des Strahleintritts in die Prozesskammer bzw. Einkoppelfensters für den Energiestrahl befestigt.
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Die Kalibrierungshilfe erstreckt sich in der additiven Fertigungsvorrichtung vorzugsweise über eine anteilige oder vollständige Distanz zwischen einer Fertigungsebene bzw. dem Baufeld und einem Strahleintritt der additiven Fertigungsvorrichtung. Das heißt, die Kalibrierungshilfe ist z. B. am Einkoppelfenster befestigt, wie zuvor beschrieben, von dort aus erstreckt sie sich aber nicht vollständig bis zur Fertigungsebene, sondern hält die Messeinheit - quasi schwebend - in einer Position zwischen der Fertigungsebene und dem Strahleintritt.
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Der Hohlkörper der Kalibrierungshilfe umschließt den Energiestrahl ab dem Durchtreten des Energiestrahls durch den Strahleintritt bzw. das Einkoppelfenster bevorzugt vollständig bis zum Auftreffen auf die Messeinheit. Das vom Hohlkörper umschlossene Volumen, also der Hohlraum, ist dabei bevorzugt kleiner als das Volumen der Prozesskammer, insbesondere kleiner als ein Drittel, weiter bevorzugt kleiner als ein Viertel, noch weiter bevorzugt kleiner als ein Zehntel, besonders bevorzugt kleiner als ein Fünfzigstel, ganz besonders bevorzugt kleiner als ein Hundertstel des Volumens der Prozesskammer. Das Verhältnis und der sich daraus ergebende Einspareffekt verbessert sich mit zunehmender Größe des Bauraums immer weiter. Dementsprechend geringer ist vorteilhafterweise auch die Zeit, die erfindungsgemäß für die Flutung des Volumens zur Kalibrierung benötigt wird.
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Die Kalibrierungshilfe und/oder die Messeinheit sind bevorzugt aus der Prozesskammer entfernbar und werden vor einem additiven Fertigungsprozess aus der Prozesskammer entnommen. Das heißt, vor Inbetriebnahme der additiven Fertigungsvorrichtung oder nach einem vorhergehenden additiven Fertigungsprozess wird bevorzugt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kalibrierung durchgeführt, folgend wird die Kalibrierungshilfe und/oder die Messeinheit bevorzugt aus der Prozesskammer entnommen, weiter folgend wird ein neuer, anschließender additiver Fertigungsprozess durchgeführt.
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Das heißt, ein additiver Fertigungsvorgang findet während der Kalibrierung bevorzugt nicht statt. Demzufolge ist besonders bevorzugt die Beströmung der Prozesskammer, die z. B. durch ein Umwälzungssystem zum Zuführen und Rückführen von Prozessgas, ggf. unter Filterung verunreinigten Prozessgases, bereitgestellt sein kann, während der Kalibrierung mit dem erfindungsgemäßen Kalibrierungssystem deaktiviert. Dadurch wird vorteilhafterweise Prozessgas bzw. die zur Umwälzung des Prozessgases benötigte Energie eingespart.
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Die Eigenschaft des Energiestrahls, die zur Kalibrierung erfasst wird, umfasst bevorzugt eine Strahlleistung, eine Intensitätsverteilung, eine Fokusposition, eine Fokusgeometrie und/oder ein Ansprechverhalten des Energiestrahls. Alternativ oder zusätzlich können auch Eigenschaften einer Energiestrahl-Ablenkeinrichtung (z. B. eines Galvanometerscanners) gemessen werden, z. B. eine Positionsgenauigkeit einer oder mehrerer Ablenkeinrichtungen zueinander.
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Zur Bestimmung der Laserleistung wird z. B., wie zuvor beschrieben, ein typisches Powermeter verwendet. Die Laserleistung wird dabei bevorzugt nicht im Brennpunkt bzw. Fokus, sondern außerhalb des Fokus gemessen, da die Intensität im Fokus punktuell ggf. zu groß ist. Liegt der Brennpunkt beispielsweise in der Fertigungsebene, wird das Powermeter einfach auf die Fertigungsebene bzw. eine Bauplattform gestellt. Der so erzeugte Versatz zum Brennpunkt ist für die Leistungsmessung ausreichend, denn das Powermeter kann auf diese Weise noch die gesamte Leistung erfassen, ohne dass die Intensität in einem Punkt zu groß ist.
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Die Fokusposition gibt die Lage des Fokus im dreidimensionalen Raum in Relation zur additiven Fertigungsvorrichtung an, d. h. insbesondere eine Höhe über der Fertigungsebene bzw. einen Abstand zum Strahleintritt sowie eine zweidimensionale Position in einer Ebene parallel zu der Fertigungsebene. Die Fokusgeometrie gibt dabei an, ob der Fokus kreisförmig, elliptisch, insbesondere mit Angabe über die Hauptachsen, oder anders geformt ist. Die Fokusposition und die Fokusgeometrie lassen sich beispielsweise mittels eines Fokusmonitors als Messeinheit bestimmen. Dieser kann z. B. in einfacher Weise mittels eines Powermeters mit vorgelagertem Pinhole (punktförmige Lochblende) realisiert sein.
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Das Ansprechverhalten des Energiestrahls beschreibt dabei eine Reaktionsverzögerung bzw. Leistungskurve bei Anschalten, Abschalten oder bei einer Änderung der Leistungsanforderung. Als Messeinheit für das Ansprechverhalten kann beispielsweise Thermopapier dienen. Darauf können nach den Kalibrierungsmessungen die entsprechenden Eigenschaften beim Ansprechverhalten ermittelt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen:
- 1 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer additiven Fertigungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts,
- 2 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems für einen Energiestrahl einer additiven Fertigungsvorrichtung,
- 3 eine schematische, im Schnitt dargestellte Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems,
- 4 eine schematische, im Schnitt dargestellte Detailansicht des Kalibrierungssystems aus 2,
- 5 eine schematische perspektivische Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems,
- 6 eine Schnittansicht des Kalibrierungssystems aus 5,
- 7 eine perspektivische Detailansicht der Kalibrierungshilfe aus 5 mit einer Messeinheit und
- 8 ein im Blockschema dargestelltes Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung eines Energiestrahls einer additiven Fertigungsvorrichtung.
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Im Folgenden wird mit Bezug auf 1 eine additive Fertigungsvorrichtung 1 für ein dreidimensionales Objekt beschrieben. Die in 1 schematisch und teilweise im Schnitt dargestellte Fertigungsvorrichtung 1 ist eine selektiv wirkende Laserschmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
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In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Behälters 5 ist eine Fertigungsebene 7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Fertigungsebene 7, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 8 bezeichnet wird. Zudem umfasst die Prozesskammer 3 eine der Prozesskammer 3 zugeordnete Prozessgaszufuhr 31 sowie einen Prozessgasauslass 32.
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In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 10 angeordnet, an dem eine Grundplatte 11 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 11 kann eine getrennt von dem Träger 10 gebildete Platte sein, die an dem Träger 10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 10 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 11 noch eine Bauplattform 12 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 11 selber aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 12 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 7 in einem Zwischenzustand mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 13, dargestellt.
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Die Laserschmelzvorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 14 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 15 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 16 zum Aufbringen des bevorrateten Aufbaumaterials 15 innerhalb des Baufelds 8. Vorzugsweise erstreckt sich der Beschichter 16 quer zu seiner Bewegungsrichtung über den ganzen zu beschichtenden Bereich.
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Die Laserschmelzvorrichtung 1 umfasst ferner eine Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21, bevorzugt einem CO-Laser, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über einen Strahleintritt 25 bzw. ein Einkoppelfenster 25, das an der Oberseite der Prozesskammer 3 in der Kammerwandung 4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene 7 fokussiert wird.
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Weiter enthält die Laserschmelzvorrichtung 1 eine Steuereinheit 29, über die die einzelnen Bestandteile der Laserschmelzvorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinheit 29 auch teilweise oder ganz außerhalb der Laserschmelzvorrichtung 1 angebracht sein. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der Laserschmelzvorrichtung 1 auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Laserschmelzvorrichtung 1, insbesondere in die Steuereinheit 29 geladen werden kann.
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Als Aufbaumaterial 15 wird vorzugsweise ein pulverförmiges Material verwendet, wobei es sich beispielsweise um ein metallhaltiges oder metallbasiertes Aufbaumaterial handeln kann, aber bevorzugt um ein polymerhaltiges, besonders bevorzugt um ein polymerbasiertes (> 50 wt.% Polymeranteil) Aufbaumaterial handelt.
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Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Pulverschicht zunächst der Träger 10 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Der Beschichter 16 fährt zunächst zu dem Vorratsbehälter 14 und nimmt aus ihm eine zum Aufbringen einer Schicht ausreichende Menge des Aufbaumaterials 15 auf. Dann fährt er über das Baufeld 8, bringt dort pulverförmiges Aufbaumaterial 15 auf die Bauunterlage 12 oder eine bereits vorher vorhandene Pulverschicht auf und zieht es zu einer Pulverschicht aus. Das Aufbringen erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts 2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld 8, also den durch die Behälterwandung 6 begrenzten Bereich. Optional wird das pulverförmige Aufbaumaterial 15 mittels einer Strahlungsheizung auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt.
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Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 von dem Laserstrahl 22 abgetastet, sodass das pulverförmige Aufbaumaterial 15 an den Stellen verfestigt wird, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 entsprechen. Dabei werden die Pulverkörner an diesen Stellen mittels der durch die Strahlung eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen, so dass sie nach einer Abkühlung miteinander verbunden als Festkörper vorliegen. Diese Schritte werden so lange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und der Prozesskammer 3 entnommen werden kann.
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2 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems 100 für einen Energiestrahl 22, insbesondere den Strahl eines CO-Lasers, einer additiven Fertigungsvorrichtung 1. Die additive Fertigungsvorrichtung 1 entspricht der additiven Fertigungsvorrichtung 1 aus 1. Zur besseren Veranschaulichung des Kalibrierungssystems 100 sind hier jedoch einige Elemente der additiven Fertigungsvorrichtung 1 nicht dargestellt. Der Träger 10 und die Grundplatte 11 sind hier in einer Startposition angrenzend an die Fertigungsebene 7 bzw. das Baufeld 8 angeordnet.
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Das Kalibrierungssystem 100 umfasst neben der additiven Fertigungsvorrichtung 1 eine Kalibrierungshilfe 60 sowie eine Messeinheit 35. Die Messeinheit 35 ist hier als Powermeter 35 zur Messung der Laserleistung als Strahleigenschaft ausgebildet und im Strahlweg des Laserstrahls 22 auf der Fertigungsebene 7 stehend positioniert.
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Der Strahlweg des Lasers 22 innerhalb der Prozesskammer 3 ist von dem Einkoppelfenster 25 bis zum Powermeter 35 von der Kalibrierungshilfe 60 umschlossen. Die Kalibrierungshilfe 60 weist eine Einströmöffnung 61 auf, welche hier in beispielhaft einfacher Ausführung mittels eines Schlauchs 26 und eines Pfropfens 27 fluidisch mit der Prozessgaszufuhr 31 verbunden ist. Während einer Kalibrierung wird darüber das Innere bzw. der Hohlraum 74 (siehe 4) der Kalibrierungshilfe 60 mit Prozessgas, insbesondere mit Stickstoff, beströmt, wie durch die Pfeile veranschaulicht ist. Das Prozessgas dringt dabei durch kleine Spalte zwischen den Elementen der Kalibrierungshilfe 60 und verdrängt dabei die Gaszusammensetzung der umgebenden Atmosphäre aus der Kalibrierungshilfe 60. Da das Prozessgas für den Fertigungsprozess und für den Kalibrierungsprozess identisch ist, ist es ein für die Kalibrierung geeignetes Gas, da es dieselben optischen Eigenschaften hat. Durch das eingeströmte Gas wird beispielsweise eine relative Luftfeuchte von unter 3% im Hohlraum der Kalibrierungshilfe erzielt, wobei die Luftfeuchte insbesondere bei CO-Lasern Einfluss auf die Kalibrierung bzw. die Strahleigenschaften hat.
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Die Kalibrierungshilfe 60 ist im Detail noch anhand von 4 beschrieben.
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3 zeigt schematisch und im Schnitt eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems 100`. Von der additiven Fertigungsvorrichtung 1 sind hier zur besseren Veranschaulichung nur die Fertigungsebene 7 und die Oberseite der Kammerwandung 4 mit dem Einkoppelfenster 25 dargestellt, welches die Bestrahlungsvorrichtung 20 bzw. die Optikkammer mittels einer umlaufenden Dichtung 34 gasdicht von der Prozesskammer 3 trennt (siehe auch 1).
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Die Kalibrierungshilfe 40 umfasst ein Oberteil 42 und ein Unterteil 43. Das Oberteil 42 und das Unterteil 43 sind im Wesentlichen zylindrisch geformt und konzentrisch angeordnet, sodass sie gemeinsam einen Hohlkörper mit einem Hohlraum 54 bilden. Dabei ist ein Außenmaß des Unterteils 43 so in Relation zu einem Innenmaß des Oberteils 42 dimensioniert, dass sie sich teleskopartig gegeneinander verschieben lassen. Dadurch kann die Höhe der Kalibrierungshilfe, d. h. der Abstand vom freien Ende des Oberteils 42 zum freien Ende des Unterteils 43, variiert bzw. eingestellt werden. Bevorzugt sind das Oberteil 42 und das Unterteil 43 so dimensioniert, dass sie ohne manuelle Krafteinwirkung einen Reibschluss ausbilden, der das Unterteil 42 und weitere daran befestigte Komponenten selbsttätig hält.
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Am freien Ende des Oberteils 42 ist eine obere Aufnahme 44 ausgebildet. Die Oberseite der Kammerwandung 4 weist im Bereich um das Einkoppelfenster 25 ein Sims 33 auf. Das Sims 33 wird im Wesentlichen passgenau, also nur mit geringem Spaltmaß von der oberen Aufnahme 44 der Kalibrierhilfe 40 umschlossen. Das Sims 33 und die obere Aufnahme 44 weisen somit komplementäre Formen auf. Sie können beispielsweise konzentrisch, kreisförmig oder quadratisch um das Einkoppelfenster 25 angeordnet sein. Die obere Aufnahme 44 ist bevorzugt so passgenau gefertigt, dass ein Reibschluss mit dem Sims 33 entsteht. Dadurch wird eine einfache Steckverbindung ausgebildet. Alternativ kann die obere Aufnahme 44 auch mit Befestigungsmitteln wie Klemmschrauben und/oder einem Clipverschluss kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Sims 33 verbunden sein.
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Das Oberteil 42 weist zudem eine Einströmöffnung 41 auf, die z. B. mit Hilfe eines Schlauchs 26 mit der Gasversorgung, insbesondere der Prozessgaszufuhr 31, fluidisch verbunden werden kann (siehe 2). Die Einströmöffnung 41 ist bevorzugt näher am bzw. benachbart zum freien Ende des Oberteils 42 hin angeordnet.
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Am freien Ende des Unterteils 42 ist eine untere Aufnahme 45 ausgebildet. Die untere Aufnahme 45 ist passgenau zu einer Halterung 46 für die Messeinheit 35 gefertigt und umschließt deren zum Einkoppelfenster 25 weisende Öffnung. Auch hier bedeutet „passgenau“ bevorzugt, dass zwischen der unteren Aufnahme 45 und der Halterung 46 ein Reibschluss entsteht, sodass eine einfache Steckverbindung ausgebildet wird. Alternativ können auch hier z. B. die oben angegebenen Befestigungsmittel verwendet werden.
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Die Kalibrierungshilfe 40 ist also bevorzugt so ausgebildet, dass sie selbsttätig eine einmal eingestellte Höhe beibehält und somit auch an dem Sims 33 hängend die Messeinheit 35 in ihrer Halterung 46 hält. Dabei treten zwischen den Elementen der Kalibrierungshilfe 40 und den Verbindungsstellen mit dem Sims 33 und der Halterung 46 lediglich geringe Spaltmaße auf, durch die lediglich eine kleine Menge des für die Kalibrierung geeigneten und durch die Einströmöffnung 41 eingeleiteten Gases entweichen kann. Der Hohlraum 54 ist also nach einer initialen Flutung mit dem für die Kalibrierung geeigneten Gas befüllt und wird davon leicht durchströmt, sodass Gase der umgebenden Atmosphäre nicht in die Kalibrierungshilfe 40 eindringen. Der gesamte durch die Prozesskammer 3 verlaufende Strahlweg des Laserstrahls 22 ist also von der Kalibrierungshilfe 40 umschlossen und verläuft vom Einkoppelfenster 25 durch das für die Kalibrierung geeignete Gas, bis er auf ein Messfenster 36 bzw. Messbereich 36 der Messeinheit 35 trifft. Dadurch kann der Laserstrahl 22 im Wesentlichen unter den gleichen Bedingungen, d. h. mit den gleichen optischen Eigenschaften kalibriert werden, unter denen auch ein folgender additiver Fertigungsprozess durchgeführt wird.
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Nach der Kalibrierung können die Steckverbindungen der Kalibrierungshilfe 40 (und ggf. deren Befestigungsmittel) mit dem Sims 33 sowie mit der Halterung 46 gelöst und die Kalibrierungshilfe 40 aus der Prozesskammer 3 entnommen werden. Um die Entnahme zu erleichtern, kann die Kalibrierungshilfe 40 z. B. unter Nutzung der teleskopartigen Höhenverstellung zwischen ihrem Oberteil 42 und ihrem Unterteil 43 zusammengeschoben werden.
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In 4 ist im Detail eine schematische Schnittansicht des Kalibrierungssystems aus 2 dargestellt. Die hier gezeigte Kalibrierungshilfe 60 ist ähnlich zu der Kalibrierungshilfe 40 aus 3. Im Unterschied dazu weist die Kalibrierungshilfe 60 jedoch zwei Kugelgelenke 68, 69, 70, 71, 72, 73 auf.
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Ein oberes Kugelgelenk 68, 69, 70 ist zwischen der oberen Aufnahme 64 und dem Oberteil 62 ausgebildet. Es umfasst eine mittlere Kalotte 68, eine äußere Kalotte 69 und eine innere Kalotte 70, die konzentrisch angeordnet sind. Die Kalotten 68, 69, 70 sind dabei als Kugelkalotte bzw. als Schicht einer Kugelkalotte geformt und weisen im Verhältnis zueinander von innen nach außen größer werdende Radien auf. Die äußere Kalotte 69 und die innere Kalotte 70 sind an der oberen Aufnahme 64 ausgebildet. Die mittlere Kalotte 68 ist am Oberteil 62 ausgebildet. Sie ist im Vergleich zu der äußeren Kalotte 69 und der inneren Kalotte 70 als näher am Pol der Kugel liegende Kugelschicht geformt und greift so teilweise zwischen die äußere Kalotte 69 und die innere Kalotte 70 ein. Das Oberteil 62 ist somit im Verhältnis zur oberen Aufnahme 64 um das gemeinsame Zentrum der Kalotten 68, 69, 70 beweglich bzw. drehbar gelagert. Die Fertigung eines solchen aus ineinandergreifenden Kalotten 68, 69, 70 zusammengesetzten Drehlagers 68, 69, 70 ist beispielsweise mittels additiver Fertigung möglich.
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Zwischen der unteren Aufnahme 65 und dem Unterteil 63 ist ein unteres Kugelgelenk 71, 72, 73 in gleicher Weise wie das obere Kugelgelenk 68, 69, 70 ausgebildet. Auch hier greift eine am Unterteil 63 angeordnete mittlere Kalotte 71 zwischen eine innere Kalotte 73 und eine äußere Kalotte 72, welche beide an der unteren Aufnahme 65 ausgebildet sind. Die beiden Kugelgelenke 68, 69, 70, 71, 72, 73 sind bevorzugt wie die Teleskopverbindung zwischen dem Oberteil 62 und dem Unterteil 63 aufgrund des zwischen ihnen herrschenden Reibungswiderstands selbsthaltend ausgebildet.
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Mittels der Kugelgelenke 68, 69, 70, 71, 72, 73 kann die Messeinheit 35 in einem Versatz D zu einer Position auf einer zentralen senkrechten Achse A des Einkoppelfensters 25 positioniert werden. Dadurch ist es möglich, auch die Strahleigenschaften von Laserstrahlen 22 zu kalibrieren, die in einem Winkel α schräg zur zentralen senkrechten Achse A verlaufen.
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In den 5 und 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierungssystems 100" schematisch in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Dabei stellt 6 eine Schnittansicht entlang der in 5 gekennzeichneten Schnittebene S dar. Zur besseren Veranschaulichung ist hier lediglich die Oberseite der Kammerwandung 4 ausschnittweise dargestellt.
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In die Oberseite der Kammerwandung 4 ist in einer Aussparung ein Einkoppelfenster 25 angeordnet. Durch das Einkoppelfenster 25 trifft ein Laserstrahl 22 auf einen Messbereich 36 einer Messeinheit 35, die innerhalb der Prozesskammer 3 (siehe 1) angeordnet ist. Die Messeinheit 35 weist hier zudem einen Lüfter 37 mit Kühlrippen auf, um gegebenenfalls entstehende Wärme abzuführen.
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Die Messeinheit 35 wird mittels der Kalibrierungshilfe 80 benachbart zum Einkoppelfenster 25 befestigt. Zur exakten Positionierung und Befestigung weist die Kalibrierungshilfe 80 zwei Zapfen 84 (siehe 6 und 7) auf, welche formschlüssig in komplementäre Elemente (nicht gezeigt) eingreifen, die starr mit der Kammerwandung 4 verbunden sind. Mittels der Zapfen 84 und der komplementären Elemente wird die Kalibrierungshilfe 80 und somit auch die Messeinheit 35 exakt in die für die Messung erforderliche Position geführt. Zur Befestigung sind außerdem parallel zur Schnittebene S beidseitig neben dem Einkoppelfenster 25 Bleche 26 angeordnet. Die Bleche 26 werden jeweils von einer Befestigungsklemme 82 der Kalibrierungshilfe 80 umgriffen. Mittels der Befestigungsklemmen 82 und jeweils einer Rändelschraube 83 wird die Kalibrierungshilfe 80 kraftschlüssig an den Blechen 26 befestigt.
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Zwischen dem Einkoppelfenster 25 und dem Messbereich 36 der Messeinheit 35 ist ein Hohlraum 94 angeordnet der vom Hohlkörper der Kalibrierungshilfe 80 umschlossen ist. Der Hohlraum 94 ist hier verglichen mit den Ausführungsbeispielen aus 3 und 4 flach ausgestaltet, sodass sich eine im Wesentlichen laminare Durchströmung mit dem für die Kalibrierung geeigneten Gas ergibt. Dies ist in 7 veranschaulicht, die schematisch eine perspektivische Ansicht der Kalibrierungshilfe 80 aus 5 und 6 mit der Messeinheit 35, jedoch ohne die Kammerwandung 4 zeigt.
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Zur Einleitung des Gases in den Hohlraum 94 weist die Kalibrierungshilfe 80 eine Einströmöffnung 81 auf. Die Einströmöffnung 81 ist fluidisch bevorzugt direkt mit einer Gaszufuhr (nicht gezeigt) verbunden. Bei der Gaszufuhr handelt es sich hier bevorzugt nicht um die für die eigentliche Umwälzung des Prozessgases vorgesehene Prozessgaszufuhr. Die hier verwendete Gaszufuhr ist bevorzugt separat von der Prozessgaszufuhr ausgestaltet und wird bevorzugt separat geregelt.
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Der Laserstrahl 22 verläuft somit zwischen dem Einkoppelfenster 25 und dem Messbereich 36 der Messeinheit 35 in dem Hohlraum 94, der von der Kalibrierungshilfe 80 umschlossen ist und während der Kalibrierung mit dem für die Kalibrierung geeigneten Gas durchströmt wird. Dadurch ist der Laserstrahl 22 von Gasen aus der Umgebungsatmosphäre abgeschlossen, welche negativen Einfluss auf die Kalibrierung haben könnten.
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Während die Kalibrierungshilfen 40, 60 aus 3 und 4 insbesondere dazu geeignet sind, eine Kalibrierung anhand von Strahleigenschaften durchzuführen, die im Bereich der Fertigungsebene 7 erfasst werden, weist die in 5 bis 7 dargestellte Kalibrierungshilfe 80 ein vorteilhaft kleines zu flutendes Volumen auf und dient für Messungen zur Kalibrierung, welche im Bereich des Einkoppelfensters 25 durchgeführt werden können, wie z. B. eine Messung der Gesamtleistung des Laserstrahls 22.
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8 zeigt ein im Blockschema dargestelltes Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung eines Energiestrahls 22 einer additiven Fertigungsvorrichtung 1.
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In einem ersten Schritt I wird eine Anzahl von additiven Fertigungsprozessen mittels der additiven Fertigungsvorrichtung 1 durchgeführt. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Fertigungszyklen, einer vorgegebenen Betriebsdauer oder je nach Bedarf ist eine Kalibrierung des Energiestrahls 22 erforderlich.
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Dazu wird in einem zweiten Schritt II eine Kalibrierungshilfe 40, 60, 80 bereitgestellt, welche einen Hohlkörper 54, 74, 94 mit einer Einströmöffnung 41, 61, 81 aufweist.
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In einem dritten Schritt III wird die Kalibrierungshilfe 40, 60, 80 in eine Prozesskammer 3 der additiven Fertigungsvorrichtung 1 eingebracht, sodass sie für die folgende Kalibrierung den Energiestrahl von einem Einkoppelfenster 25 bzw. einem Strahleintritt 25 bis zu einer Messeinheit 35 umschließt.
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Die Einströmöffnung 41, 61, 81 wird mit einer Gasversorgung fluidisch verbunden, sodass der Hohlkörper 54, 74, 94 in einem vierten Schritt IV mit einem für die Kalibrierung geeigneten Gas durchströmt wird.
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Unter dieser Gasatmosphäre wird in einem fünften Schritt V die Kalibrierung durchgeführt. Dazu wird eine Strahleigenschaft, wie z. B. die Leistung des Energiestrahls 22, mittels der Messeinheit 35, wie z. B. einem Powermeter, erfasst. In Abhängigkeit von den so gemessenen Werten werden Einstellungen an der Optik 22, 23 oder bei der Erzeugung 21 des Energiestrahls 22 vorgenommen, bis die gewünschte Strahleigenschaft erzielt wird.
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In einem sechsten Schritt VI werden nach der Kalibrierung die Kalibrierungshilfe 40 sowie die Messeinheit 35 aus der Prozesskammer 3 entfernt.
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In einem siebten Schritt VII kann mit dem kalibrierten Energiestrahl 22 eine Anzahl von Fertigungsprozessen durchgeführt werden, bis eine erneute Kalibrierung erforderlich ist und die Schritte II bis VI wiederholt werden.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Figuren lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Obwohl zuvor lediglich ein CO-Laser als Energiestrahl und Stickstoff als für die Kalibrierung geeignetes Gas beschrieben wurden, sind auch andere Laserarten und entsprechend geeignete Gase oder Gasgemische vom Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst. Auch kann die Kalibrierungshilfe andere Ausgestaltungen, wie z. B. eine Balgform oder dergleichen, aufweisen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Einheit“, „Vorrichtung“ oder „System“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden TeilKomponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- additive Fertigungsvorrichtung / Laserschmelzvorrichtung
- 2
- Objekt / Bauteil
- 3
- Prozesskammer
- 4
- Kammerwandung
- 5
- Behälter
- 6
- Behälterwandung
- 7
- Fertigungsebene
- 8
- Baufeld
- 10
- Träger
- 11
- Grundplatte
- 12
- Bauplattform
- 13
- unverfestigtes Aufbaumaterial
- 14
- Vorratsbehälter
- 15
- Aufbaumaterial
- 16
- Beschichter
- 17
- Strahlungsheizung
- 20
- Bestrahlungsvorrichtung / Belichtungsvorrichtung
- 21
- Laser
- 22
- Laserstrahl, Strahlweg
- 23
- Umlenkvorrichtung / Scanner
- 24
- Fokussiervorrichtung
- 25
- Einkoppelfenster / Strahleintritt
- 26
- Blech
- 28
- Schlauch
- 27
- Pfropfen
- 29
- Steuereinheit
- 31
- Prozessgaszufuhr
- 32
- Prozessgasauslass
- 33
- Sims
- 34
- Dichtung
- 35
- Messeinheit
- 36
- Messbereich / Messfenster
- 37
- Lüfter
- 40, 60, 80
- Kalibrierungshilfe
- 41, 61, 81
- Einströmöffnung
- 42, 62
- Oberteil
- 43, 63
- Unterteil
- 44, 64
- obere Aufnahme
- 45
- untere Aufnahme
- 46
- Halterung
- 54, 74, 94
- Hohlraum / Hohlkörper
- 68, 71
- mittlere Kalotte
- 69, 72
- äußere Kalotte
- 70, 73
- innere Kalotte
- 68, 69, 70
- oberes Kugelgelenk
- 71, 72, 73
- unteres Kugelgelenk
- 82
- Befestigungsklemme
- 83
- Rändelschraube
- 84
- Zapfen
- 100, 100`, 100"
- Kalibrierungssystem
- A
- Achse
- α
- Winkel
- D
- Versatz
- V
- vertikale Richtung
- S
- Schnittebene
- I, II, ..., VII
- Verfahrensschritte