DE102005026884A1

DE102005026884A1 - Kontinuierliche Kalibrierung eines kontaktlosen thermischen Sensors zum Lasersintern

Info

Publication number: DE102005026884A1
Application number: DE102005026884A
Authority: DE
Inventors: Tae Mark Castaic Chung; Jouni P. Santa Monica Partanen
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 2004-08-13
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2025-06-11
Also published as: ATE450360T1; EP1634694B1; US6930278B1; EP1634694A2; JP2006053127A; EP1634694A3; DE102005026884B4; DE602005017989D1; JP4076091B2

Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung, wobei ein Strahlungsaussender positioniert wird in einem Sensormittel innerhalb einer Prozesskammer in einem Lasersintersystem, welches Strahlung aussendet zu dem Sensormittel und ein Kalibriermittel Messungen empfängt von dem Sensormittel, um Temperaturmessungen, welche empfangen werden von den Sensormitteln, zu vergleichen mit eingestellten Emissionssignalen von dem Strahlungsaussender, um die Temperaturmessungen anzupassen, um dadurch das Sensormittel während der Bildung eines dreidimensionalen Artikels zu kalibrieren. Die Kalibrierung wird wiederholt ausgeführt während des Aufbauprozesses des dreidimensionalen Artikels (Figur 1).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Freiformfabrikation und insbesondere ist sie gerichtet auf die Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Lasersintern unter Verwendung eines verbesserten thermischen Sensorsystems zum Sicherstellen von genauen Temperaturmessungen des Pulverteilbetts.
Das Feld der Freiformfabrikation von Teilen hat in den letzten Jahren signifikante Fortschritte gemacht beim Bereitstellen von hochstabilen, hochdichten Teilen zur Verwendung beim Design und der Pilotherstellung von vielen nützlichen Artikeln. Die Freiformfabrikation bezieht sich im Allgemeinen auf das Herstellen von Artikeln direkt aus Computer Aided Design (CAD) Datenbanken in einer automatischen Art und Weise, anstatt der herkömmlichen Fertigung von Prototypartikeln anhand von Ingenieurszeichnungen. Als ein Ergebnis wurde die Zeit, welche benötigt wird, um Prototypteile aus Ingenieurentwürfen zu produzieren verringert von einigen Wochen auf einige wenige Stunden.
Als Hintergrundinformation ist ein Beispiel einer Freiformfabrikationstechnologie der selektive Lasersinterprozess, welcher in Systemen angewandt wird, welche erhältlich sind von 3D Systems, Inc., in welchen Artikel produziert werden aus einem laserschmelzbaren Pulver in Form von Schichten. In Übereinstimmung mit diesem Prozess wird eine dünne Schicht Pulver ausgegeben und anschließend verflüssigt, geschmolzen oder gesintert durch Laserenergie, welche gerichtet ist auf diejenigen Bereiche des Pulvers, welche korrespondieren mit einem Querschnitt des Artikels. Herkömmliche selektive Lasersintersysteme, wie beispielsweise das Vanguard-System, welches erhältlich ist von 3D Systems, Inc. positionieren den Laserstrahl mittels galvanometrisch angetriebener Spiegel, welche den Laserstrahl ablenken. Die Ablenkung des Laserstrahls wird gesteuert in Kombination mit der Modulation des Lasers selbst, um die Laserenergie zu richten auf diejenigen Stellen der schmelzbaren Pulverschicht, welche korrespondieren mit dem Querschnitt des zu bildenden Artikels in dieser Schicht. Das computerbasierte Steuerungssystem ist programmiert mit Informationen, welche gekennzeichnet sind für die gewünschten Grenzen einer Mehrzahl von Querschnitten des herzustellenden Teils. Der Laser kann gescannt werden über das Pulver in rasterartiger Weise, wobei die Modulation des betroffenen Lasers in Kombination damit geschieht, oder der Laser kann ausgerichtet werden in einer vektorartigen Weise. In manchen Anwendungen werden Querschnitte von Artikeln gebildet in einer Pulverschicht durch Schmelzen von Pulver entlang der Außenlinie des Querschnitts in vektorartiger Weise, entweder vor oder nach einem Rasterscanndurchgang, welcher das Gebiet innerhalb der vektorbezogenen Außenlinien „füllt". Jedenfalls wird, nachdem selektiven Schmelzen von Pulver in einer gegebenen Schicht eine zusätzliche Pulverschicht ausgegeben und der Prozess wiederholt, wobei geschmolzene Bereiche von späteren Schichten verschmelzen mit geschmolzenen Bereichen von vorherigen Schichten, wie es nötig ist für den Artikel, bis der Artikel fertig ist.

Eine detaillierte Beschreibung der selektiven Lasersintertechnologie kann gefunden werden in den US-Patenten mit den Nummern 4,863,538; 5,132,143 und 4,944,817, welche alle eingetragen sind auf den Verwaltungsrat der Universität von Texas Systems und in dem US-Patent Nummer 4,247,508 von Householder, welche alle unter Bezugnahme hierin aufgenommen werden.

Die selektive Lasersintertechnologie hat die direkte Herstellung von dreidimensionalen Artikeln mit hoher Auflösung und dimensionsmäßiger Genauigkeit aus einer Vielzahl von Materialen möglich gemacht, umfassend Polystyrol, manche Nylonarten, andere Kunststoffarten und Verbundmaterialen, wie beispielsweise polymerbeschichtete Metalle und Keramik. Polystyrolteile können verwendet werden in der Werkzeugherstellung mittels des wohlbekannten „Lost Wax"-Verfahrens. Zusätzlich kann das selektive Lasersintern verwendet werden für die direkte Herstellung von Formen aus einer CAD-Datenbankdarstellung des in den hergestellten Formen zu formenden Objekts. In diesem Falle werden die Computeroperationen die CAD-Datenbankdarstellung des zu formenden Objekts „umkehren", um direkt die Negativformen aus dem Pulver zu bilden.

Derzeitige handelsübliche Lasersintersysteme, wie beispielsweise diejenigen, welche verkauft werden von 3 D Systems, Inc. aus Valencia, Kalifornien, verwenden Doppelkolbenpatronenzuführsysteme mit einer Gegenlaufwalze und einem Infrarotsensor oder einem Pyrometer, um die thermischen Bedingungen der Prozesskammer und dem Pulverbett zu messen.

Obwohl sich die Lasersintersysteme als sehr effektiv beim Liefern von sowohl Pulver als auch thermischer Energie auf eine präzise und effiziente Weise erwiesen haben, ist der Prozess thermisch basiert und benötigt genaue Messungen der Pulvertemperatur in der Prozesskammer. Das grundlegende Problem beim Versuch, die Temperatur des Pulvers in einem Lasersintersystem genau zu messen, ist die Tatsache, dass Kontaktmessungen von dem Pulver nicht gemacht werden können, da das Pulver während des Lasersinterprozesses in dauerndem Fluss ist. Zusätzlich sind Kontaktsensoren langsam, positionsempfindlich und neigen dazu, gestört oder gerüttelt zu werden durch Stöße. Deswegen und weil es keinen Weg gibt, einen konsistenten Kontakt mit dem Pulver sicherzustellen, ohne die Bewegung des Pulvers zu beeinträchtigen, und somit die Genauigkeit der Messung zu verringern, wurden IR-Sensoren verwendet, um zu versuchen, die Temperatur des Pulvers innerhalb der Prozesskammer genau zu bestimmen.

Die Verwendung eines einzelnen Infrarot (IR) Sensors, welcher fokussiert ist auf eine Stelle auf der Zieloberfläche hat jedoch einige bekannte Einschränkungen. Diese umfassen den Mangel an einer einheitlichen Temperatur über die gesamte Zieloberfläche, mögliche thermische Gradienten von vorne nach hinten und von Seite zu Seite der Prozesskammer und dem Teilpulverbett und die Tatsache, dass der kürzlich geschmolzene Teil in dem System heißer ist als das umgebende Pulver. Nachdem sie diese und andere Einschränkungen erkannt hatten, haben Forscher andere Vorgehensweisen vorgeschlagen, um die Temperatur in Lasersintersystemen zu steuern.

Eine Herangehensweise war es, einen Aspekt der Temperatursteuerung, basierend auf einer Optik und einem Scannsystem, anzugehen, welches die Temperatur des Pulvers an einem Ermittlungspunkt nahe der Sinterstelle ermittelt und diese Information verwendet, um das Laserpulver zu modifizieren und/oder die Temperatur des umgebenden Pulvers zu modifizieren unter Verwendung eines wandernden defokussierten Laserstrahls. In diesem Ansatz und ähnlichen anderen, wird die Steuerung erreicht durch die Steuerung der Laserstrahlleistung, und nicht durch die Steuerung eines Strahlungsheizers. Dieser Ansatz leidet unter der notwendigen Ausgeklügeltheit und den Aufwendungen für das optische System, zudem kommen Fragen, welche die Qualität des abgestrahlten Temperatursignals von dem Pulver betreffen, da verschiedene Pulver verwendet werden.

Ein weiterer Ansatz verwendete ein Bilderkennungssystem (eine CCD-Kamera), um auf die Zieloberfläche eines Lasersinterprozesses zu fokussieren, und maß eine Graustufenfarbvariation der Oberfläche, um die Temperatur zu berechnen und das Laserpulver zu modifizieren, um eine konstante Teilqualität beizubehalten. Dieser Ansatz hatte geringere Kosten zur Folge, eine einfachere Implementierung aber basierte immer noch auf einem Durchschnittstemperaturwert, welcher gemessen wurde durch das Kamerasystem.

Wiederum ein anderer Ansatz schlug vor, die Temperaturen quer über das Zielgebiet zu messen und sowohl globale (Strahlungsheizer) und lokale (Laser) Anpassungen des Wärmeeingangs vorzunehmen, um gleichmäßige Temperaturen beizubehalten durch die Verwendung eines Bilderkennungssystems, welches eine Infrarotkamera verwendet, um die tatsächlichen Temperaturen in der Region des Teils, welches produziert wird, zu erhalten.

Jedes System, welches Optiken verwendet, um Messungen auszuführen, weist das inhärente Problem auf, dass die Optiken mit der Zeit schlechter werden, wodurch die Transmission von Signalen verringert wird wegen der Verschlechterung der Elektronik, sich absorptive Komponenten in dem Gas innerhalb der Prozesskammer auf der Optik aufbauen oder Schaden an der Optik verursachen. Optische Verschlechterungen können resultieren in Abschmelzen oder Delaminieren von Teilen, welche hergestellt wurden während eines Aufbauprozesses wegen ungenauen niedrigen Sensormessungen, welche eine Steigerung der Wärme von den IR-Heizern verlangen, bis die Temperatur des dem Laser ausgesetzten Pulvers seinen Schmelzpunkt überschreitet. Alternativ schätzen derzeitige Systeme die optische Verschlechterung und versuchen sie zu kompensieren durch die Implementierung einer Temperaturabstufung nach unten, um überschüssiges Heizen zu verhindern. Dieses Abstufen kann eine zu niedrige Teilpulverbetttemperatur zur Folge haben, welche in einer Verzerrung des Teils resultiert, wie beispielsweise „kartoffelchipartige Windungen". Beide Phänomene zerstören den Aufbau.

Es besteht deshalb eine Notwendigkeit für ein Temperatursteuerungsschema zum Lasersintern, welches nicht begrenzt wird von der Verschlechterung der Optik im Laufe der Zeit, welche verwendet wird, um Temperaturmessungen auszuführen und in der Lage ist, genaue Temperaturmessungen zu erhalten von dem Pulver in dem Teilbett und den Pulverzuführbettgebieten innerhalb der Prozesskammer eines Lasersintersystems.

KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt werden, welche einen Schwarzkörper-Strahlungsaussender verwenden, um kontinuierliche Messungen bereitzustellen, um einen Infrarotsensor kontinuierlich zu kalibrieren, welcher die Temperatur an der Oberfläche einer Lage aus frischem Pulver in einem Lasersintersystem misst, um die IR-Sensormessungen anzupassen, wenn die Optik des Sensors schmutzig wird oder im Laufe der Zeit beschädigt wird, und über ein Feedbacksignal die Temperatur der IR-Heizer zu steuern, um eine konstante Temperatur an der Schnittstelle der frischen Pulverschicht und der vorherigen Pulverschicht, welche der thermischen Quelle ausgesetzt war, bereitzustellen.

Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und Mittel bereitzustellen, um genaue kontaktlose Messungen bereitzustellen, um die Temperatur des Pulvers in dem Teilbett und den Pulverzuführbetten eines Lasersintersystems zu bestimmen.

Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass ein IR-Sensor die Energieemissionen eines Schwarzkörper-Strahlungsaussenders misst, und die IR-Sensormessung rekalibriert, um eine verminderte Messtransmission durch die IR-Sensoroptik im Laufe der Zeit zu kompensieren, wenn diese Transmissionen kleiner werden wegen dem Aufbau von absorptiven Komponenten in dem Gas innerhalb der Prozesskammer oder wegen optischem Schaden.

Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die Signalaussendung des Schwarzkörper-Strahlungsaussenders eingestellt wird auf ein gewünschtes Niveau, basierend auf einer gewünschten Temperatur des Pulvers, an der speziellen Stelle in der Prozesskammer eines Lasersintersystems.

Es ist wiederum ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass der IR-Sensor kontinuierlich rekalibriert wird während des Betriebs des Systems durch die Positionierung eines Schwarzkörper-Strahlungsaussenders neben der IR-Sensoroptik, und die IR-Sensoren steuern die IR-Heizer und erhöhen oder verringern den Wärmeausgang von den Heizern während des Betriebsvorgangs.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die Aufbautemperaturen innerhalb der Prozesskammer des Lasersintersystems genau überwacht werden durch den ganzen Aufbauprozess hindurch.

Es ist weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass das Lasersintersystem automatisch kalibriert wird auf einer Schicht-für-Schicht-Basis während des Aufbaus, um es zu ermöglich, dass Teile aufgebaut werden mit hochkonsistenten mechanischen Eigenschaften durch die ganze Teilgeometrie hindurch und hochwiederholbar zu sein von Bau zu Bau und System zu System.

Es ist wiederum ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass das Lasersintersystem, welches die Erfindung anwendet, einfach zu benutzen ist und weniger Bedienungstraining erforderlich macht mit verringerten Fähigkeiten, um konsistente, wiederholbare Teile mit hoher Qualität zu schaffen.

Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass Teile, welche aus einem Lasersintersystem erhalten werden, welches die vorliegende Erfindung anwendet, weniger Nachbearbeitung benötigen.

Es ist wiederum ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass ein verbessertes Pulvermaterialrecycling erreicht wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden offensichtlich unter Berücksichtigung der folgenden detaillierten Offenbarung, insbesondere wenn sie im Zusammenhang genommen wird mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 eine diagrammartige Darstellung einer selektiven Lasersintermaschine ist, wobei Teile weg geschnitten wurden, wodurch die Position der IR-Sensoren innerhalb der Prozesskammer gezeigt wird;
2 eine diagrammartige Vorderaufrissansicht einer herkömmlichen selektiven Lasersintermaschine im Betrieb ist, wobei der Strahlungsaussender und die IR-Sensoren gezeigt werden; und
3 ein Fließdiagramm ist, welches den Datenfluss zwischen den IR-Sensoren, dem Strahlungsaussender und den IR-Heizern zeigt, um eine kontinuierliche Kalibrierung der IR-Sensoren des Betriebs bereitzustellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 illustriert eine Wiedergabe eines selektiven Lasersintersystems, welches im Allgemeinen durch die Bezugsziffer 100 gekennzeichnet ist. Solch ein System wird derzeit verkauft durch 3D Systems, Inc. aus Valencia, Kalifornien. 1 ist eine Wiedergabe, welche mit entfernten Türen gezeigt wird aus Gründen der Klarheit. Ein Kohlenstoffdioxidlaser und seine zugehörige Optik werden gezeigt, montiert in einer Einheit oberhalb einer Prozesskammer 102. Die Prozesskammer 102 umfasst ein Pulverbett 132, zwei Pulverzuführsysteme 124 und 126, und eine Nivellierwalze 130. Ein Schwarzkörper-Strahlungsaussender 140 wird gezeigt, montiert an der Nivellier- oder Gegenlaufwalze 130. Innerhalb der Prozesskammer 102 wird die geeignete Temperatur und atmosphärische Zusammensetzung zur Herstellung des Artikels beibehalten. Die Atmosphäre ist typischerweise eine inerte Atmosphäre, wie beispielsweise Stickstoff.
Der Betrieb dieses herkömmnlichen selektiven Lasersintersystems 100 wird gezeigt in 2 in einer Vorderansicht des Systems, wobei die Türen aus Gründen der Klarheit entfernt wurden, um den Lasersinterprozess zu veranschaulichen. Ein Laserstrahl 104 wird erzeugt durch den Laser 108 und gerichtet auf die Zieloberfläche oder -gebiet 110 mittels des Scannsystems 114, welches im Allgemeinen galvanometrisch angetriebene Spiegel umfasst, welche den Laserstrahl ablenken. Die Laser- und Galvanometersysteme sind isoliert von der heißen Prozesskammer 102 durch ein Laserfenster 116. Das Laserfenster 116 ist angeordnet innerhalb von Strahlungsheizerelementen 120, welche das Zielgebiet 110 des Teilbetts darunter heizen. Diese Heizerelemente 120 können ringförmige (rechteckige oder kreisförmige) Paneele sein oder Strahlungsheizstäbe, welche das Laserfenster 116 umgeben. Die Ablenkung und Brennweite des Laserstrahls werden gesteuert in Kombination mit der Modulation des Lasers 108 selbst, um Laserenergie auf diejenigen Stellen der schmelzbaren Pulverschicht zu richten, welche korrespondieren mit dem Querschnitt des in dieser Schicht zu bildenden Artikels. Das Scannsystem 114 kann den Laserstrahl über das Pulver in einer rasterartigen Weise scannen, oder in einer vektorartigen Weise. Es sollte verstanden werden, dass das Scannen dazu führt, dass der Laserstrahl die Pulveroberfläche in dem Zielgebiet 110 schneidet.
Zwei Zuführsystem (124, 126) führen Pulver in das System ein mittels von Hochdrückkolben (push-up pistons) (125, 127). Ein Teilbett 132 empfängt Pulver von den zwei Zuführkolben, wie im Folgenden beschrieben. Das Zuführsystem 126 drückt zuerst eine gemessene Menge von Pulver nach oben und eine Gegenlaufwalze 130 nimmt das Pulver auf und breitet es aus über das Teilbett 132 in einer einheitlichen Weise. Die Gegenlaufwalze 130 verläuft vollständig über das Zielgebiet 110 und das Teilbett 132. Jegliches verbliebene Pulver wird abgelagert in einer Überschussaufnahme 136. Näher an der Oberseite der Kammer positioniert sind Strahlungsheizerelemente 122, welche das zugeführte Pulver und ein ringförmiges oder rechteckiges Strahlungsheizerelement 120 vorheizen zum Heizen der Teilbettoberfläche. Das Element 120 weist eine zentrale Öffnung auf, welche es dem Laserstrahl gestattet, durch das Laserfenster 116 hindurch zu laufen, welches den Laser und die Optik isoliert von der Hochtemperaturumgebung der Prozesskammer 102. Die Strahlungsheizerelemente 122, welche Wärme bereitstellen für das Teilbett und für die Gebiete, welche unmittelbar angrenzen an das Teilbett, können von jeglichem Typ sein, inklusive beispielsweise Quarzstäben oder flachen Paneelen. Ein Design umfasst schnell reagierende Quarzstabheizer.
Nach einem Durchlauf der Gegenlaufwalze 130 über das Teilbett 132 schmilzt der Laser selektiv die Schicht, welche gerade ausgeben wurde. Die Walze kommt dann zurück aus dem Gebiet der Überschussnahme 136, nachdem das Zuführsystem 124 eine vorbestimmte Menge an Pulver nach oben gedrückt hat und die Walze 130 verbreitet das Pulver über dem Zielgebiet 110 in der entgegen gesetzten Richtung und verläuft zu der anderen Überschussaufnahme 138, um jegliches verbliebenes Pulver abzulagern. Bevor die Walze 130 mit jedem Durchlauf über das Teilbett 132 beginnt, senkt sich der mittlere Teilbettkolben 128 ab um die gewünschte Schichtdicke, um Platz zu machen für zusätzliches Pulver.
Das Pulverzuführsystem in dem System 100 umfasst Zuführkolben 125 und 127. Die Zuführkolben 125 und 127 werden gesteuert durch Motoren (nicht gezeigt), um sich nach oben zu bewegen und um, wenn sie umgeschaltet werden, ein Volumen von Pulver von den Pulverzuführbetten (123, 129) hochzuheben in die Kammer 102. Der Teilkolben 128 wird gesteuert von einem Motor (nicht gezeigt), um sich nach unten zu bewegen unterhalb des Bodens der Kammer 102 um einen kleinen Betrag, beispielsweise 0,125 mm, um die Dicke von jeder Pulverschicht, welche bearbeitet wird, zu definieren. Die Walze 130 ist eine Gegenlaufwalze, welche Pulver von den Zuführsystemen 124 und 126 auf die Zieloberfläche 110 bewegt. Wenn sie sich in einer der beiden Richtungen bewegt, trägt die Walze jedes verbliebene Pulver, welches nicht abgelagert wurde auf dem Zielgebiet, in die Uberschussnahmen 136, 138 an jedem Ende der Prozesskammer 102. Die Zieloberfläche 110 bezieht sich, zum Zwecke der Beschreibung hierin, auf die obere Oberfläche des wärmeschmelzbaren Pulvers (inklusive der Bereiche, welche zuvor gesintert wurden, falls vorhanden), welches abgelagert wurde oberhalb des Teilkolbens 128. Das gesinterte und ungesinterte Pulver, welches abgelagert wurde auf dem Teilkolben 128, wird hierin bezeichnet als Teilkuchen 106. Das System 100 gem. 2 benötigt auch Strahlungsheizer 122 über den Zuführkolben (125, 127), um die Pulver vorzuheizen, um jeglichen thermischen Schock zu minimieren, wenn frisches Pulver verbreitet wird über das zuvor gesinterte und heiße Zielgebiet 110. Dieser Typ von Doppelkolbenzuführsystem stellt frisches Pulver bereit von unterhalb der Zieloberfläche 110 mit Heizelementen für beide Zuführbetten (123, 129).
Andere bekannte Pulverbeschickungssysteme verwenden Überkopftrichter, um Pulver von oben und von jeder Seite des Zielgebiets 110 vor einer Beschickungsvorrichtung, wie beispielsweise einer Gegenlaufwalze oder einem Wischer oder Abstreifer zuzuführen. Der Schwarzkörper-Strahlungsaussender 140 kann eingesetzt werden mit entweder einer Gegenlaufwalze oder einem Überkopftyp von Pulverbeschickungssystemen unter Verwendung von entweder einem Doppelseitenzuführ- oder einem Einseitenzuführsystem. Der Schwarzkörper-Strahlungsaussender 140 kann befestigt werden auf dem Pulverausgeber oder anderweitig montiert werden, um in der Lage zu sein, neben den kontaktlosen Sensoren platziert zu werden, vorzugsweise IR-Sensoren (142, 144, 145), so oft wie gewünscht, um eine wiederholte oder kontinuierliche Kalibrierung sicherzustellen, wie gewünscht von den IR-Sensoren während des Aufbauprozesses. Typischerweise wird der Schwarzkörper-Strahlungsaussender 140 positioniert neben, und vorzugsweise in der Ausführungsform, wie sie in den 1 und 2 gezeigt wird, vor den IR-Sensoren 142, 144 und 145 bei jedem Durchlauf der Gegenlaufwalze 130 über das Pulverbett 132, um eine kontinuierliche Kalibrierung der IR-Sensoren 142, 144 und 145 zu erlauben. Er muss allerdings vielleicht nur neben den IR-Sensoren platziert werden bei jedem anderen Durchlauf oder einer anderen Sequenz von regulären Positionierungen, um wiederholt zu gestatten, dass die Kalibrierung der IR-Sensoren 142, 144 und 145 auftritt während des Aufbauprozesses.
Der Schwarzkörper-Strahlungsaussender 140 ist ein radiometrisches Kalibrierziel, welches kommerziell erhältlich ist von einer Anzahl von Quellen, inklusive der Highland Plating Company aus Los Angeles, Kalifornien und Mikron Infrared, Inc. aus Oakland, New Jersey. Der Schwarzkörper-Strahlungsaussender 140 weist eine eloxierte schwarze Beschichtung mit hohem Emissionsgrad auf und ist hergestellt aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Aluminium. Der Schwarzkörper-Strahlungsaussender 140 weist eine eigene Temperatursteuerung auf, und seine Emission steht in monotoner Beziehung zu seiner Temperatur. Die Temperatur des Schwarzkörper-Strahlungsaussenders 140 ist so eingestellt, dass sie eine optimale Leistung bereitstellt, basierend auf experimentellen Daten von dem Betrieb des speziellen Typs von Lasersintersystemen 100 für das speziell verwendete Pulver. Jeder Pulvertyp wird seine eigenen optimalen Prozesstemperaturen aufweisen, und somit werden verschiedene Pulver verschiedene Strahlungsniveaus aussenden, welche gemessen werden von den IR-Sensoren 142, 144 und 145. Die IR-Sensoren 142, 144 und 145 sind kontaktlose thermische Sensoren, welche die Emissionsmessungen von dem Schwarzkörper-Strahlungsaussender 140 zu dem Lasersintersystemcomputer (nicht gezeigt) schicken, welcher IR-Sensorkalibrierungskurven verwendet, um die IR-Energie, welche ausgesendet wurde, in eine Temperatur umzuwandeln. Der Computer vergleicht anschließend die Emission, welche gemessen wurde von dem IR-Sensor für eine bestimmte Stelle auf dem Pulverbett 132 mit der bekannten eingestellten Emission von dem Schwarzkörper-Strahlungsaussender 140 und seiner äquivalenten Temperatur, um die IR-Messung anzupassen, um jegliche Verschlechterungen bei der IR-Messung aufgrund von Pulverstaub, Dreck oder absorptiven Komponenten in der Prozesskammer 102, Gas, welches sich sammelt auf der Sensoroptik oder mit der Zeit oder Beschädigungen, welche auftreten können an der Optik, welche die Sensortransmissionen reduzieren, zu kompensieren. Wie es am besten in den 1 und 2 zu erkennen ist, haben die IR-Sensoren 142, 144 und 145 Messfelder, welche gerichtet sind auf die Oberfläche der Pulverzuführbetten 123, 129 und dem Teilkuchen 106, wie durch die gestrichelten Linien aufgezeigt. Der Schwarzkörper-Strahlungsaussenders 140 deckt das Gebiet des Messfelds von jedem Sensor ab, wenn er positioniert wird neben jedem IR-Senor 142, 144 und 145. Dies wird anhand eines Diagramms in 1 veranschaulicht.
Die experimentellen Daten, die verwendet werden, um die optimale Leistung des Lasersintersystems einzustellen, werden wie oben erläutert variieren mit den speziell verwendeten Pulver. Im Allgemeinen wird der Glaspunkt (glaze point) oder die Schmelztemperatur des Pulvers verwendet als Startpunkt, und ein Differential mit einem festen Grad unterhalb dieses Punkts wird eingestellt auf dem Schwarzkörper-Strahlungsaussender 140, welcher verwendet wird, um die IR-Kondensatoren 142, 144 und 145 zu kalibrieren. Beispielsweise für Nylon-l2-Polyamidpulver ist bekannt, dass der Schmelzpunkt größer 186°C ± 1 ° beträgt und der Einstellpunkt auf dem Schwarzkörper-Strahlungsaussender wird eingerichtet bei einer gewünschten Anzahl von Graden unterhalb davon, um den Reverenzpunkt für den Computer bereitzustellen zum Vergleich mit den Messungen der Pulverbetttemperaturen von den IR-Sensoren 142, 144 und 145, da deren übertragene Messungen sich im Laufe der Zeit verschlechtern. Dieser Einstellpunkt kann beispielsweise 5 oder 7 Grad unterhalb des Schmelzpunkts des Nylon-12-Polyamidpulvers sein, d. h. ungefähr 181°C oder 179°C. Durch Verwendung des Schwarzkörper-Strahlungsaussenders 140 zum Wiederholten Kalibrieren der IR-Sensoren während des Aufbauprozesses, kann jede Unsicherheit über Genauigkeit der IR-Sensormessungen beseitigt werden, da, wenn sich die Sensoroptikmessung ändern für die Pulverbettmessungen, tun sie dies in dem selben Verhältnis wie die Messungen von dem Schwarzkörper-Strahlungsaussender 140, für welchen es eine bekannte Emission gibt, welche korrespondiert mit einer eingestellten Temperatur, welche ausgewählt wird aus experimentellen Daten, welche die optimale Temperatur hergestellt haben, bei der die Frischpulverschicht in der Prozesskammer 102 gehalten werden sollte auf der Zieloberfläche 110. Dies gestattet dann den IR-Sensoren so kalibriert zu werden, dass die Messungen an der Zieloberfläche 110 und der Oberfläche der Pulverzuführbetten (123, 129) es dem Computer gestatten, die Temperaturen an diesen Stellen genau zu steuern durch Steuern der thermischen Energie, welche bereitgestellt wird durch die IR-Heizer 120 und 122, jeweils in Übereinstimmung mit der Logik, welche in dem Fließdiagramm in 3 gezeigt wird.
Die kontaktlosen thermischen Sensoren sind vorzugsweise die IR-Sensoren 142, 144 und 145, welche entweder das Verhältnis der verschiedenen Wellenlängen verwenden oder den Gesamtbetrag an Licht einer gewünschten Bandbreite. Eine Bandbreite von 8 bis 14 μm wird bevorzugt, um das Pulverbett 132 zu messen.
Während die Erfindung oben beschrieben wurde unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen ist es offensichtlich, dass viele Veränderungen, Modifikationen und Variationen in den Materialien, der Anordnung der Teile und Schritte vorgenommen werden können ohne das erfinderische Konzept, welches hierin offenbart wurde, zu verlassen. Demgemäß beabsichtigt der Geist und breite Rahmen der beigefügten Ansprüche alle solche Änderungen, Modifikationen und Variationen einzuschließen, welche dem Fachmann beim Lesen der Offenbarung einfallen können. Beispielsweise könnte eine Verschlussanordnung in Verbindung mit einer Schwenkunterstützung verwendet werden, um den Schwarzkörper-Strahlungsaussender dem IR-Sensor zu präsentieren, oder eine Mehrzahl von Strahlungsaussendern könnte verwendet werden mit einer Verschlussanordnung. Jeder geeignete Aussender könnte verwendet werden als das radiometrische Kalibrierziel mit einem bekannten Emissionsgrad für die messenden IR-Sensoren. Alle Patentanmeldungen, Patente und andere Veröffentlichungen, welche hierin zitiert werden, sind unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen.

Claims

Ein Verfahren zum Bilden eines dreidimensionalen Artikels durch Lasersintern, welches die folgenden Schritte umfasst: (a) Liefern einer Pulvermenge neben ein Zielgebiet in einer Prozesskammer; (b) Verteilen der Pulvermenge mit einem Verbreitungsmechanismus, um eine Pulverschicht zu bilden; (c) Heizen des Pulvers während es neben dem Zielgebiet ist, während es verteilt wird und wenn es als eine Schicht vorliegt; (d) Richten eines Energiestrahls über das Zielgebiet, wodurch die Pulverschicht eine integrale Schicht bildet; (e) Wiederholen der Schritte (a) bis (d), um zusätzliche Schichten zu bilden, welche integral verbunden sind mit benachbarten Schichten, um einen dreidimensionalen Artikel zu bilden, wobei während zumindest einem Schichtbildungsschritt ein Strahlungsaussender, welcher neben einem Sensormittel innerhalb der Prozesskammer positioniert ist, Strahlung aussendet zu dem Sensormittel, und ein Kalibriermittel empfängt Messungen von dem Sensormittel, um die Temperaturmessungen, welche von dem Sensormittel empfangen wurden, zu vergleichen mit eingestellten Emissionssignalen von dem Strahlungsaussender, welche umgewandelt wurden in Temperaturen von dem Strahlungsaussender, um die Temperaturmessungen anzupassen, um dadurch das Sensormittel während der Bildung des dreidimensionalen Artikels zu kalibrieren.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 weiterhin aufweisend die Verwendung eines kontaktlosen thermischen Sensors als das Sensormittel.
Das Verfahren gemäß Anspruch 2 weiterhin aufweisend die Verwendung eines IR-Sensors als das kontaktlosen thermischen Sensor.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 weiterhin aufweisend die Verwendung einer Mehrzahl von IR-Sensoren innerhalb der Prozesskammer.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 weiterhin aufweisend die Verwendung eines IR-Heizers, um das Pulver in der Prozesskammer zu heizen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 weiterhin aufweisend das Positionieren des Strahlungsaussenders neben dem Sensormittel während jedes Schichtbildungsschritts, um das Sensormittel kontinuierlich zu kalibrieren während der Bildung des dreidimensionalen Objektes.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 weiterhin aufweisend die Verwendung eines schwarzen Körpers als Strahlungsaussender.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 weiterhin aufweisend die Verwendung eines Laserstrahls in dem Energiestrahlausrichtungsschritt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8 weiterhin aufweisend die Verwendung eines Kohlenstoffdioxidlasers zur Bereitstellung des Laserstrahls.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 weiterhin aufweisend die Verwendung einer Walze oder einer Wischerklinge als Verbreitungsmechanismus.
Das Verfahren gemäß Anspruch 10, weiterhin aufweisend die Verwendung einer Gegenlaufwalze als Walze.
Das Verfahren gemäß Anspruch 7 weiterhin aufweisend die Verwendung eines Computers und Kalibrierkurven, um die Temperaturmessungen anzupassen.
Eine Vorrichtung zum Herstellen von Teilen während eines Aufbauprozesses aus einem Pulver aufweisend in Kombination: (a) Eine Kammer mit einem Zielgebiet, auf welchem ein additiver Prozess ausgeführt wird, wobei das Zielgebiet eine erste Seite aufweist und eine gegenüber liegende zweite Seite; (b) Schmelzmittel zum Schmelzen von ausgewählten Bereichen einer Pulverschicht über dem Zielgebiet; (c) Pulverzuführmittel zum Zuführen des Pulvers in die Kammer; (d) Verbreitungsmittel zur Verbreitung des Pulvers auf dem Zielgebiet; (e) Heizmittel zur Bereitstellung von thermischer Energie für das Pulver in der Prozesskammer; (f) Sensormittel zur Bereitstellung von Messungen der Temperatur des Pulvers in der Prozesskammer und Senden von Messungen, welche verwendet werden zum Anpassen der Heizmittel; (g) Strahlungsaussendermittel, welche eingestellt sind auf eine gewünschte Aussendung, welche korrespondiert mit einer gewünschten Temperatur, um Strahlungsaussendungen auf einem gewünschten Niveau bereitzustellen; (h) Kalibriermittel zum Anpassen der Messungen des Sensormittels basierend auf einem Vergleich der Strahlungsaussendungen mit den Temperaturen, um genau die Temperatur des Pulvers wiederzugeben und Daten an die Heizmittel zu senden, um die thermische Energie, welche durch die Heizmittel bereitgestellt wird, anzupassen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei die Mittel zum Verteilen aufweisen eine Walze und einen Motor, welcher gekoppelt ist mit der Walze zum Bewegen der Walze über das Zielgebiet, um das Pulver in eine Schicht einzuebnen.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei das Heizmittel zum Bereitstellen von thermischer Energie für das Pulver zumindest einen Strahlungsheizer aufweist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 14, wobei das Mittel zum Schmelzen von ausgewählten Bereichen einer Schicht des Pulvers auf dem Zielgebiet aufweist: (a) einen Energiestrahl; (b) ein optisches Spiegelsystem zum Ausrichten des Energiestrahls; und (c) Energiestrahlsteuerungsmittel, welche gekoppelt sind mit dem optischen Spiegelsystem umfassend Computermittel, wobei die Computermittel programmiert sind mit Informationen, welche kennzeichnend sind für die gewünschten Grenzen einer Mehrzahl von Querschnitten des herzustellenden Teils.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei der Energiestrahl ein Laserenergiestrahl ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 15, wobei der zumindest eine Strahlungsheizer ein IR-Heizer ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13 weiterhin aufweisend eine Wischerklinge und einen Motor, welcher gekoppelt ist mit der Wischerklinge zum Bewegen der Wischerklinge über das Zielgebiet, um das Pulver zu verbreiten.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das Strahlungsaussendemittel wiederholt positioniert wird neben dem Sensormittel während des Aufbauprozesses.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das Strahlungsaussendemittel befestigt ist an dem Mittel zum Verbreiten von Pulver.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das Strahlungsaussendemittel ein schwarzer Körper ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das Sensormittel ein kontaktloser thermischer Sensor ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das Sensormittel ein IR-Sensor ist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das Sensormittel eine Mehrzahl von Sensoren innerhalb der Prozesskammer aufweist.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei das Kalibriermittel eine Computersteuerung ist, welche Kalibrierkurven verwendet, um die Messungen anzupassen.