DE69409669T2

DE69409669T2 - Temperaturgesteuertes lasersintern

Info

Publication number: DE69409669T2
Application number: DE69409669T
Authority: DE
Inventors: John Benda; Aristotle Parasco
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1993-10-20
Filing date: 1994-10-20
Publication date: 1998-08-06
Anticipated expiration: 2014-10-21
Also published as: JPH09504054A; US5427733A; RU2141887C1; EP0731743A1; DE731743T1; KR960705648A; EP0731743B1; US5530221A; KR100304215B1; CN1057034C; DE69409669D1; ES2115986T3; CA2174636C; CN1135732A; CA2174636A1; WO1995011100A1

Description

Die WO 95/11101 mit dem Titel "Multiple Beam Laser Sintering", gleichzeitig mit der vorliegenden Anmeldung und mit gleichem Prioritätsdatum eingereicht, enthält Offenbarung, die zu der vorliegenden Offenbarung in Beziehung steht.

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Lasersinterung, insbesondere temperaturgesteuertes Lasersintern.

Technischer Hintergrund

Auf dem Gebiet der Stereolithographie ist es bekannt, eine schnelle Prototypen-Herstellung von Produktforrnen oder dem Produkt selbst durchzuführen. Die Stereolithographie-Methode verwendet in ihrer bekannten Form einen Ultraviolett-Laser, der über ein Monomer geführt wird und dieses selektiv polymerisiert (d.h. einen flüssigen Kunststoff verfestigt), um schichtweise und Zeile für Zeile aus einem vorbestimmten Modell eines Teils einen Prototyp aufzubauen. Insbesondere wird der Laser auf einen Teil eines Flüssigharz-Bades fokussiert, wodurch die Flüssigkeit zum Polymerisieren (oder Verfestigen) dort gebracht wird, wo der Brennpunkt des Lasers die Flüssigkeit berührt (oder auf diese auftrifft). Diese Methode macht es möglich, sehr schnell ein Teil herzustellen, dessen Fertigung ansonsten mit Hilfe eines Formprozesses viel Zeit in Anspruch nehmen würde.
Es ist außerdem bekannt, Prototypen dadurch schnell herzustellen, daß man von einem Infrarot-Laser Gebrauch macht, um ein selektives Lasersintern von Pulver durchzuführen. Bekanntlich ist das Sintern ein Vorgang, bei dem die Temperatur eines pulverförmigen Stoffs durch thermische Erwärmung mit Hilfe eines Lasers auf den Erweichungspunkt des Stoffs angehoben wird, um dadurch zu veranlassen, daß die Pulverteilchen in der erwärmten Zone miteinander verschmelzen. Der zum Sintem erforderliche Temperaturpegel hängt von dem zu sinternden Material ab, je höher allerdings die Temperatur ist, desto schneller sintert das Material. Beispielsweise schmilzt Eisenpulver bei einer Temperatur von 1500ºC, sintert jedoch bei 1000º, wenn das Pulver lange genug auf dieser Temperatur verbleibt.
Beim Sintervorgang trifft ein Laserstrahl mit einem im wesentlichen konstanten Leistungspegel auf ein Pulverbett, und eine seitliche Schicht des herzustellenden Teils wird erzeugt durch wiederholtes abtastendes Führen des Laserstrahls in aufeinanderfolgenden Linien über eine Pulverschicht, bis die gesamte Schicht abgetastet ist. Der Laser wird an solchen Stellen eingeschaltet, an denen das Pulver zu sintem ist, ansonsten bleibt der Laser ausgeschaltet. Wenn eine Schicht fertig ist, wird die Oberfläche des Sinterbetts abgesenkt, und es wird eine weitere Pulverschicht auf die frühere, nun gesinterte Schicht gestreut, und dann wird die nächste Schicht abgerastert. Dieser Prozeß wird so lange wiederholt, bis das Teil fertiggestellt ist.
Die EP-A-0 283 003 offenbart eine Vorrichtung zum Sintern von Metallpulver, die einen Reflexionsvermögens-Sensor enthält, der dazu dient, den Fortschritt des Sintervorgangs aus dem Reflexionsfaktor der Oberfläche des zu sinternden Pulvers abzuschätzen.
Die WO 92/08566 offenbart eine Lasersintervorrichtung mit einem ringförmigen Heizstrahler zum Auffieizen des durch Sintern herzustellenden Gegenstands, um eine ungleichmäßige Abkühlung zu vermeiden, die möglicherweise Ursache für Verziehungen und Kräuselungen sein könnte. Die von dem Heizstrahler abgestrahlte Temperatur wird mit Hilfe eines ortsfesten Temperaturfühlers gesteuert.
Ein Problem beim Lasersintern besteht allerdings darin, daß, wenn man mit einem Laser konstanter Leistung arbeitet, Teile des Materials überhitzt werden und übermäßig stark schmelzen (was zu Gräben in dem Pulver führt), während in anderen Bereichen das Pulver nicht vollständig zusammenschmilzt. Ein solches ungleichmäßiges Sintern kann Werkstück-Verformungen, unpräzise Werkstückabmessungen und sogar eine ungleichmäßige Steifigkeit oder Festigkeit des Werkstücks hervorrufen. Es wäre folglich wünschenswert, ein Sintersystem zu schaffen, welches die Unzulänglichkeiten der derzeitigen Sinterverfähren vermeidet und ein gleichmäßig gesintertes Werkstück liefert.

Offenbarung der Erfindung

Ziele der Erfindung beinhalten die Schaffüng eines Lasersintersystems, welches Pulver gleichmäßig sintert.
Erfindungsgemäß enthält gemäß Anspruch 1 eine Vorrichtung zum Lasersintern eines Pulvers einen Laserstrahl, der auf eine Oberfläche des Pulvers an einer Sinterstelle auftrifft, eine Detektoreinrichtung zum Erfassen der Temperatur des Pulvers an einem beweglichen Erfassungpunkt, der nahe der Sinterstelle nachgeführt wird, und eine Lasersteuereinrichtung, die auf ein für die Temperatur kennzeiclinendes Erfassungssignal von der Detektoreinrichtung anspricht, um die Leistung des Laserstrahls zu steuern.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfmdung enthält die Lasersteuereinrichtung eine Einrichtung zum Steuern der Leistung des Laserstrahls in der Weise, daß die Temperatur auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird. Weiterhin kann erfindungsgemäß die Detektoreinrichtung in der Lage sein, Wärmestrahlungsemissionen von dem Erfassungspunkt nachzuweisen.
Es kann eine Abtasteinrichtung zum Abrastern des Laserstrahls über das Pulver sowie eine Optik zum Lenken der Wärmestrahlungsemissionen durch die Abtasteinrichtung zu der Detektoreinrichtung vorhanden sein.
Die Erfindung betrifft außerdem gemäß Anspruch 9 ein Verfahren zum Lasersintern, umfassend die Schritte: Lenken eines Laserstrahls auf eine Oberfläche eines zu sinternden Pulvers; Erfassen der Temperatur des Pulvers an einem beweglichen Erfassungspunkt, der der Sinterstelle eng 10 nachgeführt wird; und Einstellen der Leistung des Lasers in Abhängigkeit von der Temperatur.
Bevorzugte Ausführungsformen der beanspruchten Vorrichtung und des beanspruchten Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Erfindung stellt eine signifikante Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik aufgrund der Erkenntnis dar, daß der Temperaturanstieg an jeder Laser-Stelle beeinflußt wird durch das Vorhandensein in der Nähe befindlichen, gesinterten Materials aufgrund von Änderungen der Wärmeleitfähigkeit und des optischen Reflexionsvermögens der in der Nähe befindlichen gesinterten Zonen. Die Erfindung schafft eine Temperatursteuerung an der Sinterstelle, wobei gemäß einer Ausführungsforrn die Infrarot-Wärmestrahlung an der Sinterstelle (d.h.
dort, wo der Laser auf das Pulverbett auftrifft) überwacht wird, um kontinuierlich die Laserleistung so einzustellen, daß eine im wesentlichen konstante Strahlungsemission aufrechterhalten wird und damit eine im wesentlichen konstante Sintertemperatur geschaffen wird. Die Erfindung schafft ein im wesentlichen konsistentes Sintern an jeder Sinterstelle dadurch, daß das Pulver stark genug erhitzt wird, um ein Schmelzen des Pulvers im Laserbereich zu erreichen, wobei die Hitze aber nicht so groß ist, daß das Pulver überhitzt wird und ein übermäßiges Schmelzen sowie die Entstehung von Gräben stattfindet. Bei Sintersystemen mit bewegtem Abtastspiegel macht eine 09.03.98 11:26 . .. e.e

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Ausführungsforrn der Erfindung Gebrauch von demselben Abtastspiegel zum Zweck des Projizierens (ober Abbildens) der Wärmestrahlung auf einen optischen Detektor, um damit eine Temperaturmessung ohne zusätzliche bewegte Spiegel und die dazugehörigen erforderliche Synchronisation zu erhalten. Die oben angegebenen sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher im Lichte der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm emes zum Stand der Technik zählenden Sintersystems.
Fig. 2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Sintersystems nut Wärmeregelung der Laserleistung gemäß der Erfindung; 20 Fig. 3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Steuersystems zur Wärmeregelung der Laserleistung gemäß der Erfmdung.
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der Laserleistung gegenüber der Zeit sowie der Wärmeemission gegenüber der Zeit für eine Offenschleifen-Anordnung gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 5 ist eine grafische Darstellung der Laserleistung gegenüber der Zeit sowie der Wärmeemission gegenüber der Zeit für eine Wärmeemissions-Regelung der Laserleistung gemäß der Erfindung.
Fig. 6 ist eine grafische Darstellung der Laserleistung gegenüber der Zeit sowie der Wärmeemission gegenüber der Zeit für ein 09.03.98 11:26 e e eeee

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Aluminiumsilikatpulver in einer Offenschleifenkonfiguration gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 7 ist eine grafische Darstellung der Laserleistung gegenüber der Zeit sowie der Wärrnestrahlung gegenüber der Zeit in einer Wärrneemissions-Regelung der Laserleistung gemäß der Erf mdung.
Fig. 8 ist eine grafische Darstellung eines Detektorsignals gegenüber der Abtastgeschwindigkeit für Eisenpulver in einem Argon- Schutzgas für mehrere verschiedene Laserleistungen gemäß der Erfindung.
Fig. 9 ist eine grafische Darstellung des Temperaturanstiegs pro Watt optischer Leistung gegenüber der Abtastgeschwindigkeit für mehrere unterschiedliche Schutzgase, wobei sowohl die theoretischen als auch die gemessenen Daten gemäß der Erfindung dargestellt sind.
20 Fig. 10 ist eine Seitenansicht eines X-Y-Koordinaten-Positioniersystems mit einem Wärrneemissions-Sensor gemäß der Erfindung.
Fig. 11 ist eine Draufsicht auf das in Fig. 10 gezeigte X-Y- Koordinaten-Positioniersystem, wobei der Wärrneemissionssensor gemäß der Erfindung dargestellt ist. Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
Bezugnehmend auf Fig. 1 enthält ein zum Stand der Technik zählendes, 30 temperaturgesteuertes Sintersystem einen Laser 10, der einen Ausgangsstraffi 12 auf einen Verschluß 14 gibt, der durch ein Signal auf einer Leitung 16 von einer (weiter unten diskutierten) Sintersteuerschaltung 17 gesteuert wird. Der Verschluß 14 ist ein bekanntes Bauelement mit einem geöffneten und einem geschlossenen 09.03.98 11:26 ee .. ee e.e ..

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Zustand. Im geöffneten Zustand gelangt das Licht 12 durch den Verschluß 14 und verläßt den Verschluß 14 in Forrn eines Lichtstrahls 18. Im geschlossenen Zustand verläßt keinerlei Licht den Verschluß 14. Das Signal auf der Leitung 16 sorgt für ein Öffnungs/Schließ-Signal für den Verschluß 14, um dessen Zustand zu steuern. Das Licht 18 trifft auf eine Fokussierlinse 26, die einen fokussierten Strahl 28 bildet, der auf ein Paar von Abtastspiegeln 32 und 34 trifft.
Die Spiegeln 32 und 34 reflektieren das fokussierte Laserlicht 28 und bilden einen in seiner Richtung gesteuerten, fokussierten Strahl 36, der auf die Oberfläche eines Sinterpulverbetts 38 fokussiert wird. Die Abtastspiegel 32 und 34 lenken den ausgegebenen fokussierten Strahl 36 so ab, daß der Strahl entlang Linien über das Pulverbett 38 in der Weise geführt wird, daß gewünschte Stellen selektiv sintern. Die Abtastspiegel 32 und 34 werden von Galvanometer-Treibern 40 bzw. 42 angetrieben, beispielsweise vom Typ G325DT von General Scanning Inc., abhängig von Treibersignalen auf den Leitungen 44 bzw.
46, die von der Sintersteuerschaltung 17 geliefert werden. Die Treiber 40 und 42 liefern auch Stellungs-Rückkopplungssignale über Leitungen 48 und 50 an die Sintersteuerschaltung 17. Die Leitungen 44, 46, 48 und 50 sind kollektiv als eine Leitung 52 dargestellt, welche an die Sintersteuerschaltung 17 angeschlossen ist.
Der Sinterprozeß findet in einer Kammer 60 statt, in der sich ein vorbestimmtes Gas oder Vakuum befindet. Innerhalb der Kammer 60 befindet sich ein Behälter 62, der an vorab defmierten Stellen zu sinterndes Pulver 64 aufnimmt, um ein in vorbestimmter Weise gestaltetes Werkstück 63 zu erzeugen. Der Behälter 62 besitzt einen beweglichen Boden, bestehend aus einem Kolben 65, welcher die Tiefe des Behälters 62 einstellt. Wenn eine Pulverschicht gesintert worden ist, wird der Kolben 66 abgesenkt, und eine Walze 68 rollt weiteres zu sinterndes Pulver 64 quer über das Pulverbett 38. Der Kolben 66 wird 09.03.98 11:26 e ee e ...£ iee

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von einem Motor 70 gesteuert, welcher seinerseits durch ein elektrisches Signal über eine Leitung 72 von der Sintersteuerschaltung 17 gesteuert wird.
Der fokussierte Strahl 36 trifft an einem Punkt 74 auf das Bett 38 auf. Die Hitze aus dem Laserstrahl veranlaßt die Pulverteilchen 64, zu verschmelzen (zu sintern), weil die Temperatur durch die Energie aus dem Laserstrahl 36 angehoben wird (wie oben erläutert wurde).
Die Sintersteuerschaltung 17 liefert die Ausgangssignale auf die Leitung 16, um den Verschluß 14 zu treiben, auf die Leitung 72, um den Motor 70 zu treiben, welcher seinerseits den Kolben 66 antreibt, und über die Leitungen 44, 46, um die Abtastspiegel 32 bzw. 34 anzutreiben.
Die Sintersteuerschaltung 17 positioniert den fokussierten Strahl 36 auf dem Pulverbett 38 und steuert das Abrastern des fokussierten Strahls 36 quer über das Pulverbett 38. Darüberhinaus öffnet und schließt die Sintersteuerung 17 den Verschluß 14 zu den richtigen Zeitpunkten, um vorbestimmte Abschnitte eines Abtastwegs zu sintern und dadurch ein gegebenes Werkstück herzustellen.
Die Sintersteuerschaitung 17 kann auch als digitaler Reclmer ausgebildet sein, der ein schichtweises und abtastzyklus-weises Layout des zu produzierenden Werkstücks aufweist und festlegt, wann der Laserstrahl 25 von dem Verschluß 14 einzuschalten und auszuschalten ist. Zahlreiche andere Methoden können bei der Sintersteuerschaltung 17 eingesetzt werden, wobei die Art der Steuerschaltung keinen Einfluß auf die vorliegende Erfindung hat. Die Sintersteuerschaltung 17 ist im Stand der Technik bekannt und soll hier nicht weiter erläutert werden.
Wir haben herausgefünden, daß die Laserleistung, die benötigt wird, um das Pulver in dem Bereich des fokussierten Strahls zu schmelzen, von der gesinterten Vorgeschichte der früheren Pulverschicht abhängt. Insbesondere dann, wenn das unten liegende Pulver gesintert wurde, ist 09.03.98 11:26 . e e eee

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dessen Wärmeleitfähigkeit größer als die von ungesintertem Pulver. Folglich ist die Laserleistung, die benötigt wird, um die obere Pulverschicht auf die richtige Temperatur zum Einleiten des Sintervorgangs anzuheben, größer, als wenn das darunterliegende und in der Nähe be mdliche Pulver ungesintert ist. Wenn also der Laserstrahl sich in einer Zone befindet, der vor kurzer Zeit abgetastet und gesintert wurde, ist die Temperatur möglicherweise noch aufgrund der vorausgehenden Abtastung erhöht und erfordert somit weniger Laserleistung, damit die richtige Sintertemperatur erreicht wird.
Darüberhinaus reflektiert gesintertes Material in der Nähe des Laserstrahls möglicherweise einen Teil des Laserstrahls stärker, als dies durch Reflexion an dem jungfräulichen Pulver geschieht, so daß auch hierdurch die Erwärmung des Pulvers durch den Laserstrahl beeinflußt wird.
Nunmehr auf Fig. 2 Bezug nehmend, haben wir im Lichte der oben erläuterten Feststellungen herausgefunden, daß eine (geschlossene Schleifen-) Regelung der Laserleistung basierend auf Strahlungswärmeemission von dem Laser-Brennpunktbereich zu einer im wesentlichen gleichförmigen Sinterung führt. Insbesondere ähnelt das System dem in Fig. 1 gezeigten bekannten System, wobei folgende zusätzlichen Komponenten vorhanden sind: Der Laser 10 und der Verschluß sind die gleichen wie bei dem Aufbau nach Fig. 1. Insbesondere handelt es sich um einen C0&sub2;-Laser mit einer Wellenlänge von etwa 10,6 Micrometer, einer Leistung von etwa 100 Watt und einem Strahldurchmesser von etwa 8 mm. Falls gewünscht, können andere Laser, Wellenlängen, Leistungen und Strahldurchmesser verwendet werden, vorausgesetzt, es fmdet eine zum Einleiten des Sinterns ausreichende Erwärmung statt. Das Ausgangslicht 18 von dem Verschluß 14 trifft auf einen elektrooptischen Modulator 100, der sich zwischen dem Verschluß 14 und der Fokussierlinse 26 befindet, und der von einem Signal auf einer Leitung 102 von einer Leistungssteuerschaltung 104 (die weiter unten noch diskutiert wird) 09.03.98 11:26 e.e ee e e
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gesteuert wird. Der Modulator 100 ist ein bekanntes Bauelement, welches die optische Leistung des auftreffenden Lichts 18 moduliert und einen Ausgangslichtstrahl 106 liefert, dessen Ausgangsleistung als Funktion des Signals auf der Leitung 102 moduliert ist.
Das Licht 106 trifft auf die Fokussierlinse 26 auf, die einen modulierten, fokussierten Strahl 108 durch einen dikroitischen Strahlaufspalter 110 wirft, welcher Licht bei der Laser-Wellenlänge auf die Abtastspiegel 32 und 34 durchläßt. Die Abtastspiegel 32 und 34 liefern einen in der Richtung gesteuerten, fokussierten und modulierten Strahl 112, der auf die Oberfläche des Sinterpulverbetts 38 fokussiert wird, genauso, wie dies oben in Verbindung mit Fig. 1 diskutiert wurde. Die Abtastspiegel 32 und 34 werden gesteuert durch Signale auf den Leitungen 52, die von der Sintersteuerschaltung 17 koinmen, wie es oben erläutert wurde. Die Sintersteuerschaltung 17 steuert außerdem den Verschluß 14 und den Motor 70 in der gleichen Weise wie in Fig. 1.
Das Erhitzen des Pulvers an dem Punkt 74 auf dem Sinterbett 38 bewirkt, daß Wärmestrahlung (oder -Emissionen) radial nach außen emittiert wird, von der ein Teil durch gestrichelte Linien 114 angedeutet ist. Die Wärmeemissionen belegen einen breiten Wellenlängenbereich, einschließlich des nahen Infrarotlichts (IR), z.B. eine Wellenlänge von 1 bis 1,8 Mikrometer sowie den sichtbaren Bereich. Die Wärmeemission 114 von dem Punkt 74 auf dem Sinterbett 38 trifft auf die Abtastspiegel 32 und 34. Die Abtastspiegel 32 und 34 liefern einen reflektierten Lichtstrahl 116 an den dikroitischen Strahlaufspalter 110, der die Wellenlängen der Strahlungsemissionen in Form eines divergenten Strahls 118 reflektiert. Der Strahl 118 fällt auf eine Fokussierlinse 120, die fokussiertes Licht (Strahlung) 122 durch eine Blende 124 auf einen als Sensor für optisches Infrarotlicht füngierenden Fotodetektor 126 gibt. Die Linse 120 bildet die Oberfläche 68 des Pulverbetts ab auf eine Ebene der Blende 124. Der Fotodetektor 126 muß in der Lage sein, Leistung in dem Wellenlängenbereich der Wärmeemission 114 zu messen, z.B. kann ein Germaniumdetektor Strahlung in dem Bereich von 09.03.98 11:26 ii ei ei Ciii ei e eiiiee e e ei e i i iii eece eieeeee e e eec i i

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1 bis 1,8 Mikrometer nachweisen. Die Blende 124 kann auf Wunsch weggelassen werden, allerdings verhindert sie, daß Strahlung von Nachbarstellen auf dem Sinterbett 38 auf den optischen Detektor 126 abgebildet wird und dadurch den Strahlungsmeßwert verfälscht.
Der Fotodetektor 126 liefert ein elektrisches Signal über eine Leitung 128 an die Leistungssteuerschaltung 104. Die Leistungssteuerschaltung 104 gibt ein elektrisches Signal über die Leitung 102, um die Leistung des Lasersignals 106 und die Leistung des diesem entsprechenden fokussierten Strahls 112 einzustellen. Insbesondere liefert die Leistungssteuerschaltung 104 ein elektrisches Signal über die Leitung 102, um die Stärke der Wärmeemission 114 aus dem gesinterten Pulver auf im wesentlichen konstantem Pegel zu halten. Gemäß Fig. 3, die ein Blockdiagramm des Regelsystems für die Leistungssteuerschaltung 104 zeigt, erfolgt die Regelung der Anlage folgendermaßen: Die Leistungssteuerschaltung 104 enthält eine Referenzspannung Vref (Millivolt), die auf einen positiven Eingang eines Addierers 150 gegeben wird. Über eine Leitung 151 wird ein gefiltertes Rückkopplungssignal an einen negativen Eingang des Addierers 150 gegeben. Das Ausgangssignal des Addierers 150 wird über eine Leitung 152 auf eine bekannte Kompensationseinrichtung 154 gegeben, beispielsweise eine Proportional-Verstärkung oder einen Vorspannungsgeber. Die Kompensation 154 kann eine einfache Verstärkung oder Vorspannung liefern, oder es kann ein einfacher Integrator sein, oder es kann sich um ein komplizierteres Gebilde handeln, wie es möglicherweise zum Bereitstellen der gewünschten Systemantwort angemessen ist.
Das Ausgangssignal der Kompensationseinheit 154 wird auf die Leitung 102 gegeben und treibt den Modulator 100 (Fig. 1), welcher seinerseits die optische Leistung des Laserlichts einstellt. Aus Darstellungszwecken sind der Laser 10 und der Modulator 100 als Einzelblock 156 dargestellt, welcher die Übertragungsfünktion von Millivolt aus der
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Leistungssteuerschaltung 104 in die optische Leistung aus dem Laserstrahl 112 (Fig. 1) repräsentiert. Die optische Leistung trifft auf das Pulverbett 38 (Fig. 1), welches aus Gründen der Darstellung als Block 158 (Fig. 3) dargestellt ist, um die Wärmeübertragungsfünktion des Pulverbetts 38 von den ankommenden optischen Fotonen in die abgegebene Wärmestrahlung zu repräsentieren. Die. Wärmestrahlung wird von dem Detektor 126 erfaßt, der ein Rückkopplungssignal in Millivolt über die Leitung 128 auf ein Tiefpaßfilter 160 mit einer Eckfrequenz von z.B. 1 KHz in der Leistungssteuerschaltung 104 gibt. Das Filter 160 filtert jegliches hochfrequentes Rauschen aus dem Rückkopplungssignal von dem Detektor 126 aus und gibt das gefilterte Rückkopplungssignal auf die Leitung 151. Andere Filter oder andere Eckfrequenzen sind möglich.
Das Ausgangssignal des Filters 160 wird über die Leitung 151 auf den negativen Eingang des Addierers 150 gegeben, wodurch eine Gegenkopplung stattfindet.
Die Leistungssteuerschaltung 104 enthält bekannte elektrische Bauteile, beispielsweise Operationsverstärker (OP-Verstärker) und Transistoren, um die in dem Blockdiagramm der Fig. 3 dargestellten Funktionen bereitzustellen. Allerdings kann ein Teil der oder die gesamte Leistungssteuerung 104 stattdessen auch durch die Software eines Digitalrechners gebildet werden.
Nunmehr auf Fig. 4 Bezug nehmend, bleibt, wenn das Sintem in einer Offenschleifen-Konfiguration wie im Stand der Technik gemäß Fig. 1 stattfindet, die Laserleistung im wesentlichen konstant, wie dies durch eine Kurve 200 dargestellt ist, und die Wärmeemission von der Sinterstelle ist am Anfang gemäß der Kurve 202 beim ersten Abrasterungszyklus über das jungfräuliche Pulver innerhalb des Pulverbetts starken Schwahkungen unterworfen. Die geringen Leistungspegel 203 zeigen an, wann der Laser zwischen den Abtastzyklen ausgeschaltet ist.
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Bei der zweiten Abtastung es Pulverbetts in der Nachbarschaft der ersten Abtastung fällt gemäß der Kurve 204 die Wärmeemission signifikant ab, und damit ist die Temperatur an der Fokussierstelle des Lasers 74 bei gleicher Laserleistung viel geringer. Bei der dritten Abtastung steigt die Wärmeemission gemäß einer Kurve 204 etwas gegenüber der Wärmeemission der zweiten Abtastung 204 an, bedingt durch die schwache Sinterung bei der zweiten Abtastung. Aber auch hier ist sie wiederum viel geringer als bei der ersten Abtastung 202, die auf dem jungfräulichen Pulver stattfindet. Man beachte, daß bei sämtlichen drei Abtastzyklen die Laserleistung 200 im wesentlichen die gleiche bleibt. Außerdem war bei dieser Abtastung der gesamte Abtastweg mit einem Sintervorgang verbunden (d.h. der Laser war eingeschaltet). In den meisten Anwendungsfällen jedoch würde der Laser an verschiedenen Punkten innerhalb des Abtastvorgangs abgeschaltet werden, um die gewünschte Form des zu erzeugenden Werkstücks zu erhalten. Der Zeitmäßstab für die Abtastungen betrug neun Sekunden/Abtastung; allerdings können auch andere Abtastraten verwendet werden, wenn dies erwünscht ist.
Der Detektor 126 (Fig. 1) sollte derart ausgebildet sein, daß er nicht empfmdlich ist für Laserlängenwellen (z.B. von 10,6 Mierometer) um zu verhindern, daß es durch optische Reflexion signifikante Signale gibt. Alternativ kann man ein (nicht gezeigtes) optisches Filter vor dem optischen Detektor 126 anordnen, um Laser-Wellenlängen auszufiltern und so sporadisches Rauschen sowie Rückführsignale aufgrund von Reflexionen zu vermeiden.
Nunmehr auf Fig. 5 Bezug nehmend, in der die geschlossene Regelschleife gemäß der Erfindung dargestellt ist, ist das elektrische Signal entsprechend der Wärmeemission, 220, 222 und 224 von dem Sensor 126 (Fig. 1) im wesentlichen bei sämtlichen drei Abtastungen konstant, und die Laserleistung ändert sich von der ersten Abtastung 226 zu der zweiten Abtastung 228 bis hin zu der dritten Abtastung 230 in 09.03.98 11:26 i ii ii iiie ii ii

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der Weise, daß bei Änderungen der Wärmeleitfahigkeit und des optischen Reflexionsvermögens auf der gesinterten Oberfläche eine Einstellung erfolgt. Folglich wird die Wärmeemission auf der Oberfläche im wesentlichen konstant gehalten, und damit wird der Sinterprozeß bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur durchgeführt. Die unteren Leistungspegel 231 zeigen, wann der Laser zwischen den Abtastungen ausgeschaltet ist (oder bei wesentlich niedrigerer Leistung gearbeitet). Bei den Abtastungen nach den Fig. 4 und 5 war das verwendete Pulver ein Wolfram/Kupfer-Gemisch. Außerdem überlappen sich die drei aufeinanderfolgenden Abtastungen teilweise. Der Durchmesser bei jeder der Abtastungen an dem Brandpunkt 74 betrug etwa 0,012 Zoll, die Überlappung betrug etwa 0,002 Zoll. Der Detektortyp für die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Verläufe war Germanlum.
Nunmehr auf Fig. 6 Bezug nehmend, ist dort ein Einzelabtastzyklus zum Sintern mit einer Offenscffieifen-Konfiguration gemäß dem Stand der Technik nach Fig. 1 dargestellt. Die Einfalis-Laserleistung ist durch eine Spur 240 angedeutet, die entsprechende Wärmestrahlung ist durch eine Spur 242 angedeutet. Dieser Graf zeigt, daß die Wärmestrahlung 242 sporadisch stattfindet, wenn die Einschalt-Laserleistung 240 im wesentlichen konstant ist, falls von der Konfiguration gemäß dem Stand der Technik Gebrauch gemacht wird.
Nunmehr auf Fig. 7 Bezug nehmend, ist, wenn die erfindungsgemaße Regelschleife zum Einsatz gelangt, die durch eine Spur 244 angegebene Wärmestrahlung während der Abtastung im wesentlichen konstant, und die durch eine Spur 246 angegebene Einschalt-Laserleistung wird so eingestellt, daß die entsprechende Wärmestrahlung 244 etwa konstant gehalten wird. Die Experimente gemäß Fig. 6 und 7 wurden mit einem Aluminlumsilikat-Pulver durchgeführt, wobei der Fotodetektor 126 ein Germanlum-Detektor war.
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Nunmehr auf Fig. 8 Bezug nehmend, wo der Betrag des Detektorsignais für verschiedene Laserleistungen und verschiedene Abtastgeschwindigkeiten unter Argon-Schutzgas aufgezeichnet ist, haben wir herausgefünden, daß bei Eisenpulver in Verbindung mit unterschiedlichen Schutzgasen das Sintem bei etwa 15 Millivolt bei sämtlichen Laserleistungen und sämtlichen Abtastgeschwindigkeiten gemäß der grafischen Darstellung in Fig. 8 stattfindet. Das Vorhandensein von etwas umgeschmolzenem Eisen (d.h. Eisenpulver, welches geschmolzen und dann erneut erhärtet wurde) zeigt an, daß die Temperatur bei einer Detektorausgangsspannung von 15 Millivolt etwa 1.500ºC dem Schmelzpunkt von Eisen, entspricht. Gemäß Fig. 9 bestimmt sich in Abhängigkeit davon, welches Gas sich innerhalb der Kammer 60 (Fig. 1) befindet, der Temperaturanstieg für eine gegebene Laserleistung ( T/P), weil das Pulver kleine Taschen mit dem Kammergas in sich aufweist. Dementsprechend führt ein Gas, welches größere Wärrneleitfähigkeit besitzt, zu einem geringeren Temperaturanstieg bei einer gegebenen Laserleistung und bei gegebener Abtastrate. Wenn außerdem die Abtastrate steigt, fällt der Temperaturanstieg pro Watt optischer Leistung. Der Graf in Fig. 9 zeigt eine Schar von Kurven für die Kammergase Hehum, Argon sowie für Vakuum sowohl bei ffieoretischen Daten (gestrichelte oder ausgezogene Linien) als auch bei Meßdaten (Quadrate, Kreise und Dreiecke).
Der Graf gemäß Fig. 9 wurde aus Daten des Typs gemäß Fig. 8 unter der Annahme abgeleitet, daß ein Detektorsignal von 15 mV einer Temperatur von 1.500ºC entspricht. Die Übereinstimmung zwischen den empirischen Daten und den theoretischen Kurven deutet an, daß der Detektor in der Tat die Wärmeemission mißt, und nicht irgendwelche andere pHänomene. Betrag und Wellenlängenabhängigkeit der Strahlung sind ebenfalls konsistent mit den entsprechenden Werten der Wärrneemission. Bestätigt wurde dies für eine Reihe von Materialien.
Außerdem wurden die theoretischen Kurven der Fig. 9 basierend auf Veröffentlichungsdaten ähniicher Substanzen für die Werte der 09.03.98 11:26

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kollektiven Wärrneleitfähigkejt (Kth) des Pulvers mit dem Schutzgas abgeleitet. Obschon die Erfindung so dargestellt wurde, daß die Wärrnestrahlung über die Abtastspiegel nachgewiesen wird, indem die Wärrnestrahlung über die Abtastspiegel auf einen optischen Detektor rück-abgebildet wird, versteht sich, daß jegliche Methode zum Messen der Temperatur am Brennpunkt des fokussierten Strahls auf dem Pulverbett an der Sinterstelle akzeptierbar ist.
Beispielsweise kann man gemäß Fig. 10 und 11 anstelle der Abtastspiegel für variable Schrittweite eine X-Y-Plotteranordnung verwenden, um die Koordinaten einzustellen und den Laserstrahl in der Rasterbewegung zu führen. In diesem Fall wird die Richtungsoptik auf ein Verschiebegehäuse 300 aufgesetzt, welches an einer Schiene 302 gelagert ist, mit deren Hilfe das Gehäuse sich in X-Richtung bewegen kann, wie durch die Pfeile 303 in den Fig. 10 und 11 angedeutet ist. Außerdem kann die Schiene 302 in Y-Richtung bewegt werden, wie dies in Fig. 11 durch Pfeile 304 angedeutet ist.
Ein kollimierter Strahl 305 von einer (nicht gezeigten) Laserquelle trifft auf einen Schwenkspiegel (oder flachen Spiegel) 306 auf (Fig. 11) und bildet einen reflektierten Strahl 307, der sich oberhalb der Lagerschiene 302 ausbreitet. Der Strahl 307 trifft auf eine Fokussierlinse 308, die einen fokussierten Strahl 310 auf einen Schwenkspiegel 312 gibt. Der Spiegel 312 liefert einen reflektierten, fokussierten Strahl 314 auf die Oberfläche des Sinterbetts 38 (gemäß Fig. 1), und zwar an einem Brennpunkt 315.
Ah dem beweglichen Geh;:use 300 ist ein Detektorgeh :use 316 angebracht, welches einen Strahlungsdetektor 317 und eine Fokussierlinse 318, die auf den Brennpunkt 315 des fokussierten Laserstrahls 314 gerichtet ist, enthält. Der Detektor 317 erfaßt abgestrahlte W rrneemissionen 320 von dem durch die Linse 318 09.03.98 11:26 ei i ib iitc i ii

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abgebildeten Punkt 315. Außerdem kann man eine (nicht gezeigte) Aperturblende verwenden, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, um zu verhindern, daß Strahlung von anderen Stellen der Oberfläche des Sinterbetts 34 erfaßt wird.
Eine (nicht gezeigte) Sintersteuerschaltung steuert die Position des Strahls auf der Sinterplattforrn 38 dadurch, daß das Gehäuse 30 und die Schiene 302 entsprechend positioniert werden, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Außerdem ist eine (nicht gezeigte) Leistungssteuereinheit ähniich derjenigen gemäß Fig. 2 im wesentlichen die gleiche und liefert die oben diskutierte Funktion, d.h. sie überwacht das Erfassungssignal auf der Leitung 138 von dem Detektor 317 und bildet ein Leistungssteuersignal zum Steuern der Leistung des fokussierten Laserstrahis 314. Der Detektor kann der gleiche sein, wie er oben in Verbindung mit Fig. 2 besprochen wurde. Außerdem kann anstelle der Spiegelbewegung die Sinterplattforrn selbst in einer oder mehreren horizontalen Richtungen bewegt werden. Die Erfindung kann angewendet werden bei jeglichem Typ von Sintermaterial, z.B. Kunststoff, Wachs, Metallen, Keramiken und weiteren Werkstoffen. Außerdem können zwei oder mehr Materialpulverkomponenten verwendet werden, beispielsweise Metall- Bronze. Ansta t einen konvergierenden (fokussierten) Strahl als Strahl 36 zum Durchführen des Sintervorgangs zu verwenden, kann man auch einen kollimierten Strahl verwenden, vorausgesetzt, der Leistungspegel ist hoch genug und der Strahldurchmesser ist klein genug, um das Sintern zu erreichen.
Obschon der Modulator 100, der Verschluß 14 und der Laser 10 in Fig. 2 als getrennte Komponenten dargestellt sind, versteht sich, daß einige oder sämtliche dieser Komponenten in einem einzelnen Lasergehäuse untergebracht sein können, welches für die Leistungspegelsteuerung 09.03.98 11:26 i. ii ei iiii ii ii i iiiiii CCC i iii i i .

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und/oder das schnelle Steuern des Einschaltens/Ausschaltens des Strahls sorgt.
Anstatt die Temperatur exakt an dem Brennpunkt des Lasers nachzuweisen, kann der Detektor die Temperatur auch an Punkten erfassen, die entweder vor, hinter oder auf der Seite des Brennpunkts liegen, um die angemessene Leistung für den Laserstrahl zur Gewährleistung des gewünschten Sintervorgangs voraussagen zu helfen oder anderweitig zu bestinunen.
Obschon die Erfindung in Verbindung mit dem Erfassen der Temperatur anhand des Nachweises der Wärmestrahlung erläutert wurde, versteht sich, daß stattdessen oder zusätzlich zu dem Nachweis der Temperaturstrahlung auch andere Parameter nachgewiesen werden können, die zur Temperatur in Beziehung stehen, beispielsweise ein Plasma (durch Laser angeregte atomare Zustände des Schutzgases, durch die beim Abklingen der Energie Strahlung emittiert wird) oder eine Wolke (verdampftes oder Teilchenmaterial, welches von der Pulveroberfläche emittiert wird, die aufgrund der Wärme oder durch Fluoreszenz glüht).
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Claims

ii ii ii iiii ii i i i iii - 19 - EP-0 731 743

1. Vorrichtung zum Lasersintern eines Pulvers, umfassend: - einen Laserstrahl, der auf eine Oberfläche des Pulvers an einer Sinterstelle auftrifft; 10 - eine Detektoreinrichtung zum Erfassen der Temperatur des Pulvers an einem beweglichen Erfassungspunkt, der nahe der Sinterstelle nachgeführt wird; und - eine Lasersteuereinrichtung, die auf ein für die Temperatur kennzeichnendes Erfassungssignal von der Detektoreinrichtung 15 anspricht, um die Leistung des Laserstrahls zu steuern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lasersteuereinrichtung eine Einrichtung aufweist, um die Leistung des Laserstrahls in der Weise zu steuern, daß die Temperatur auf einem im wesentlichen 20 konstanten Wert gehalten wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Detektoreinrichtung Strahlungswärme-Emissionen von dem Erfassungspunkt nachweist.

25 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, umfassend eine Optik zum Lenken der Wärmestrahlungsemissionen auf die Detektoreinrichtung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, umfassend: - eine Abtasteinrichtung zum Führen des Laserstrahls über das 30 Pulver; und - eine Optik zum Lenken der Strahlungswärrneemissionen durch die Abtasteinrichtung zu der Detektoreinrichtung.

09.O3 95 11:26 ii ii ii iiii ii i ii iiii

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6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lasersteuereinrichtung eine Signalverarbeitungseinrichtung aufweist, die auf die Detektoreinrichtung anspricht, um ein Leistungssteuersignal bereitzustellen, welches kennzeichnend ist für die Soll-Leistung des 5 Laserstrahls.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Lasersteuereinrichtung eine Modulatoreinrichtung enffiält, die auf das Leistungssteuersignal anspricht, um die Leistung des Laserstrahls zu steuern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend eine Fokussiereinrichtung zum Fokussieren des Laserstranls auf die Oberfläche des Pulvers.

9. Verfahren zur Lasersinterung, umfassend die Schritte: 15 - Lenken eines Laserstraffis auf eine Oberfläche eines zu sinternden Pulvers; - Erfassen der Temperatur des Pulvers an einem beweglichen Erfassungspunkt, der der Sinterstelle nachgeführt wird; und Einstellen der Leistung des Lasers in Abhängigkeit der 20 Temperatur.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Einstellens der Laserleistung das Einstellen der Leistung des Laserstrahls in der Weise beinhaltet, daß die Temperatur auf einem im wesentlichen 25 konstanten Wert gehalten wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schritt des Erfassens der Temperatur das Erfassen von Strahlungswärrneemissionen von dem Erfassungspunkt beinhaltet.

12. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend den Schritt des Lenkens der Strahlungswärmeemissionen auf die Detektoreinrichtung.

13. Verfahren nach Anspruch 11, außerdem umfassend die Schritte: 09.03.98 11:26 ii ii ee iiie ii

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- Führen des Laserstrallls über das Pulver in einer Abtastbewegung; und - Lenken der Strahlungswärmeemissionen auf die Detektoreinrichtung.

14. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend den Schritt des Fokussierens des Laserstrahls auf die Oberfläche des Pulvers.

15. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein Pulver gesintert wird, 10 welches Eisenpulver aufweist.

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