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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Prüfkörpers mit einem pulverbett-basierten additiven Fertigungsverfahren, insbesondere Laserschmelzen. Bei diesem Verfahren wird der Prüfkörper mit einen Zug- oder Biegeabschnitt auf einer Unterlage ausgebildet, an dessen Enden Bereiche zur Einspannung vorgesehen sind. Sowohl Zugproben als auch Biegeproben müssen nämlich in eine geeignete Versuchsvorrichtung eingespannt werden, damit die für die Prüfung notwendigen Kräfte auf den Zug- oder Biegeabschnitt einwirken können. Zugproben werden dabei auf Zug belastet, wobei die typischen Werkstoff-Kennwerte, die die Festigkeit angeben, (Streck- oder Dehngrenze, Bruchdehnung usw.) ermittelt werden können. Biegeabschnitte können auf Biegung beansprucht werden, wobei auch hieraus Kennwerte für die Festigkeit der Probe hergeleitet werden können. Ein anderer üblicher Versuch ist der Kerbschlag-Biegeversuch. Hierbei wird die Kerbschlagarbeit ermittelt, wobei dieser Kennwert Aufschluss über ein eher sprödes oder eher duktiles Verhalten der Probe ermöglicht.
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Demgemäß ist weiterhin Gegenstand der Erfindung ein Prüfverfahren für pulverbett-basierte additive Fertigungsverfahren wie Laserschmelzen, bei dem ein Prüfkörper hergestellt und anschließend untersucht wird. Zu bemerken ist hierbei, dass die Prüfung des additiven Fertigungsverfahrens indirekt über die Untersuchung des hergestellten Prüfkörpers erfolgt. Hierbei kann bei bestimmten Verfahrensparametern des additiven Fertigungsverfahrens davon ausgegangen werden, dass sich ein Prüfkörper mit bestimmten Eigenschaften herstellen lassen muss. Wenn diese Eigenschaften beim Prüfkörper nicht nachgewiesen werden können, so kann eine Fehlersuche im Herstellungsprozess zu Verbesserungen des Prüfergebnisses führen.
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Um einen Prüfkörper der genannten Art mit einem additiven Fertigungsverfahren herstellen zu können, ist ein CAD-Datensatz erforderlich. Als CAD-Datensatz im Zusammenhang mit dieser Erfindung ist im weiteren Sinne beispielsweise ein 3D-Datensatz in einem der gebräuchlichen Formate, im Besonderen aber auch ein sogenannter Slice-Datensatz (Schicht-Datensatz) zu verstehen, wie diese typischerweise bei additiven Fertigungverfahren zum Einsatz kommen. Daher betrifft die Erfindung zuletzt auch einen CAD-Datensatz für einen Prüfkörper, der für pulverbett-basierte additive Fertigungsverfahren, insbesondere Laserschmelzen geeignet ist, wobei der Prüfkörper einen Zug- oder Biegeabschnitt aufweisen soll, an dessen Enden Bereiche zur Einspannung vorgesehen sind.
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Aus der
EP 1 486 317 B1 ist es an sich bekannt, dass additive Fertigungsverfahren bewertet werden können, indem beispielsweise zusammen mit dem herzustellenden Produkt sogenannte iterative Verbesserungsprüfkörper, wie Zugproben, Dichtewürfel, Dimensionspyramiden oder Biegeproben, hergestellt werden können. Diese Prüfkörper können nach ihrer Herstellung untersucht werden und dienen einer iterativen Verbesserung des additiven Fertigungsverfahrens, wobei das herzustellende Produkt hierbei in seiner Qualität schrittweise verbessert wird. Aus der
DE 10 2004 009 126 A1 ist außerdem bekannt, dass eine derartige iterative Verbesserung auch hinsichtlich der Maßhaltigkeit der herzustellenden Teile erfolgen kann. Hierbei werden Kompensationsdatensätze erstellt, die mit den Datensätzen, die die Geometrie des herzustellenden Bauteils beinhalten, kombiniert werden. Es werden sozusagen bewusst Bauteile mit einer von der Sollgeometrie abweichenden Ist-Geometrie hergestellt, wobei die Ist-Geometrie genau diejenigen herstellungsbedingten Formänderungen berücksichtigt, die durch das iterative Optimierungsverfahren für ein bestimmtes Bauteil festgestellt wurden. Im Ergebnis wird daher das hergestellte Bauteil die Soll-Geometrie erhalten.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Prüfkörpers mit einem additiven Fertigungsverfahren, ein Prüfverfahren für ein solches additives Fertigungsverfahren, bei dem ein solcher Prüfkörper hergestellt wird, bzw. einen CAD-Datensatz für einen solchen Prüfkörper anzugeben, welcher bei vergleichsweise geringem Fertigungs- und Materialaufwand möglichst weitreichende Aussagen bezüglich der Qualität eines Prozesslaufes von additiven Fertigungsverfahren zulässt.
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Diese Aufgabe wird durch das eingangs angegebene Verfahren zum Herstellen eines Prüfkörpers dadurch gelöst, dass der Prüfkörper mit einer Geometrie abweichend von seiner Soll-Geometrie als Zugprobe bzw. Biegeprobe derart hergestellt wird, dass die sich beim Herstellen ausbildenden Eigenspannungen den Prüfkörper dahingehend verformen, dass dieser die Sollgeometrie zumindest im Wesentlichen annimmt. Diese Maßnahme, einen Prüfkörper mit einer von der Sollgeometrie abweichenden, die Gegebenheiten des Fertigungsverfahren berücksichtigenden Geometrie herzustellen, wie dies zur Herstellung von Konstruktionsbauteilen bereits erfolgt, ist für die Herstellung von Proben nach dem Stand der Technik bisher nicht vorgesehen worden. Die Proben werden üblicherweise nämlich in ihrer Soll-Geometrie hergestellt, da sie als Referenzbauteil dienen sollen, um Abweichungen von der Soll-Geometrie durch anschließende Vermessung zu ermitteln. Erst durch die Ermittlung dieser Daten können dann Maßnahmen ergriffen werden, die bei den Konstruktionsbauteilen, die eigentlich herzustellen sind, zu einer Verbesserung des Herstellungsergebnisses führen. Erfindungsgemäß sollen allerdings ebenso die Prüfkörper derart hergestellt werden, dass diese ihre Soll-Geometrie durch Berücksichtigung gezielter Abweichungen bei der. Herstellung der Ist-Geometrie erreichen. Hierbei können beispielsweise Erfahrungswerte im Umgang mit den erfindungsgemäßen Prüfkörpern berücksichtigt werden, so dass sich ein Prüfkörper mit der gewünschten Soll-Geometrie herstellen lässt. Vorteilhaft kann dieser Prüfkörper erfindungsgemäß für mehrere Prüfuntersuchungen herangezogen werden. Auf jeden Fall zeigt der Prüfkörper, ob die Soll-Geometrie in der erwarteten Weise zumindest im Wesentlichen erreicht wurde. Dann sind die Vorgaben, die durch die Herstellung mit der Ist-Geometrie gemacht wurden, richtig eingeschätzt worden. Wird die Soll-Geometrie jedoch nicht erreicht, so waren die Vorgaben falsch und müssen in geeigneter Weise korrigiert werden. Dies ist jedoch bei der Herstellung des Prüfkörpers leichter möglich als bei der Herstellung des geplanten herzustellenden Konstruktionsbauteils. Zum einen weist der Prüfkörper eine verhältnismäßig einfache Geometrie auf, außerdem kann der Prüfkörper bei verschiedenen Konstruktionsbauteilen zur Anwendung kommen, so dass mit der Zeit Erfahrungswerte vorliegen, wie sich dieser Prüfkörper verhält. Eine Optimierung bei einer Modifikation der Parameter des additiven Fertigungsverfahrens kann daher schneller erfolgen, wodurch vorteilhaft Iterationsschritte beim Auffinden der optimalen Parameter für ein bestimmtes Konstruktionsbauteil eingespart werden können. Außerdem kann der Prüfkörper, wenn er die Soll-Geometrie zumindest im Wesentlichen erreicht, auch für eine zerstörende Werkstoffprüfung bei einem Zug- oder Biegeversuch zum Einsatz kommen. Vorteilhaft muss hierzu dann kein weiterer Prüfkörper erzeugt werden, wodurch Herstellungszeiten sowie Material vorteilhaft eingespart werden können. Die zerstörende Werkstoffprüfung erfolgt erst, nachdem Aussagen zum Erreichen der Soll-Geometrie des Prüflings vorliegen.
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Als Unterlage zur Herstellung des Prüfkörpers wird gewöhnlich die Bauplattform Verwendung finden, welche auch als Basis für das herzustellende Konstruktionsbauteil Verwendung findet. Allerdings ist es insbesondere bei größeren Konstruktionsbauteilen auch denkbar, dass als Unterlage für die Herstellung des Prüflings eine Zone des Konstruktionsbauteils zum Einsatz kommt. Hierdurch kann auch sichergestellt werden, dass der Prüfkörper die herrschenden Verhältnisse bei dem additiven Fertigungsverfahren in bestimmten Zonen des herzustellenden Konstruktionsbauteils wiedergibt. Demgemäß können bei größeren Konstruktionsbauteilen auch mehrere Prüfkörper an unterschiedlichen Stellen in der Prozesskammer hergestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zug- oder Biegeabschnitt flach ausgebildet ist. Dies hat zum einen den Vorteil, dass sich dieser vergleichsweise einfach mit dem additiven Fertigungsverfahren herstellen lässt und die Probe ein geringeres Volumen bei nahezu gelcher Aussagekraft aufweisen kann. Außerdem kann ein flach ausgebildeter Zug- oder Biegeabschnitt sowohl für Zugversuche als auch für Biegeversuche Verwendung finden. Abhängig vom verwendeten zerstörenden Werkstoffprüfverfahren kann auch eine Nachbearbeitung der Oberflächen des Prüfkörpers notwendig sein. Es gibt beispielsweise Zugversuche, die mit polierten Zugstäben durchgeführt werden, da die Oberfläche der Zugprobe auch das Prüfergebnis beeinflusst. Sollen die Messdaten des Prüfkörpers mit entsprechenden Literaturwerten für polierte Proben verglichen werden, so ist eine Nachbearbeitung erforderlich.
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Ein weiterer Vorteil eines flach ausgebildeten Zug- oder Biegeabschnittes liegt darin, dass dieser bei dem additiven Fertigungsverfahren in einer Lage hergestellt werden kann, die vergleichsweise große Formabweichungen provoziert. Beispielsweise kann der flache Querschnitt so hergestellt werden, dass die großen Flächen (d. h. die Oberseite und die Unterseite) waagerecht liegen. Dabei wird der Prüfkörper auf der Unterlage so hergestellt, dass der Zug- oder Biegeabschnitt im Wesentlichen parallel zu der Unterlage ausgerichtet ist. Dies hat auch den Vorteil, dass der Prüfkörper eine geringe Bauteilhöhe aufweist und daher mit vergleichsweise wenigen Pulverlagen hergestellt werden kann.
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Außerdem ist in dieser Lage der zu erwartende Verzug des hergestellten Prüfkörpers vergleichsweise groß. Daher wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Prüfkörper auf der Unterlage mit einer Stützstruktur hergestellt, die den Prüfkörper mit der Unterlage verbindet. Dies bedeutet, dass sich die vergleichsweise großen Eigenspannungen, die sich bei der Herstellung des Prüfkörpers in der genannten Lage ergeben, und erfindungsgemäß auch erwünscht sind, nicht dahingehend auswirken, dass sich bereits während der Herstellung des Prüfkörpers die Soll-Geometrie einstellt. Da der Prüfkörper in der von der Soll-Geometrie abweichenden Ist-Geometrie hergestellt werden soll, würde eine solche Verformung während der Herstellung zu einem Abbruch des Fertigungsverfahrens führen, da sich das Bauteil während der Herstellung nicht verformen darf. Eine solche Verformung wird erfindungsgemäß durch die Stützstruktur verhindert, die eine starre Verbindung des sich im Aufbau befindlichen Prüfkörpers mit der im Vergleich zum Prüfkörper sehr starren Unterlage herstellt. Nach Abschluss des Herstellungsverfahrens für den Prüfkörper wird die Stützstruktur entfernt, so dass die Eigenspannungen im Prüfkörper zu einer Verformung führen, die die Soll-Geometrie des Prüfkörpers zumindest im Wesentlichen herstellt.
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Erfindungsgemäß soll bei der Herstellung des Prüfkörpers die Einstellung vergleichsweise hoher Eigenspannungen und damit verbunden einer starken Abweichung der hergestellten Ist-Geometrie und der sich nach der Herstellung einstellenden Soll-Geometrie bewirkt werden. Dies hat nämlich den Vorteil, dass sich die Soll-Geometrie bereits bei nur geringen Schwankungen bei den Verfahrensparametern nicht mehr im Wesentlichen (d. h. innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches) erzeugen lässt, so dass dies als Indikator dafür gedeutet werden kann, dass ein Optimierungsbedarf beim betreffenden additiven Fertigungsverfahren besteht. Zwar kann in diesem Fall der Prüfkörper nicht für die zerstörende Werkstoffprüfung genutzt werden. Da sich die Soll-Geometrie nicht genügend genau eingestellt hat, ist dies aber auch nicht erforderlich, da ohnehin das Fertigungsverfahren hinsichtlich seiner Parameter noch verbessert werden muss. Daher ist ohnehin die Herstellung eines weiteren Prüfkörpers mit einer mit einer genaueren Erreichung der Sollgeometrie erforderlich. Wenn dies gelungen ist, kann der genauere Prüfkörper für eine zerstörende Werkstoffprüfung genutzt werden.
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Wenn im Zusammenhang mit dieser Erfindung davon die Rede ist, dass die Soll-Geometrie zumindest im Wesentlichen erreicht werden muss, so ist hiermit gemeint, dass die Soll-Geometrie gewisse Abweichungen aufweisen darf, wobei im Rahmen dieser Toleranzen der Prüfkörper für eine zerstörende Werkstoffprüfung eine noch hinreichend genauere Geometrie aufweist. Die Soll-Geometrie wird dann nicht mehr zumindest im Wesentlichen erreicht, wenn die Toleranzen zu groß sind, um eine zerstörende Werkstoffprüfung mit auswertbaren Ergebnissen zu gewährleisten (beispielsweise Zug- oder Biegeversuch).
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Prüfkörpers in der Serienproduktion zur laufenden Qualitätssicherung. Ist ein bestimmtes Konstruktionsbauteil hinsichtlich der Parameter des additiven Fertigungsverfahrens einmal optimiert, so kann es dennoch anschließend zu Schwankungen in der Qualität kommen, die beispielsweise mit einer Alterung der Fertigungsanlage oder Schwankungen bei der Beschaffenheit des verwendeten Pulvers zusammenhängen können. Wird mit dem zu fertigenden, optimierten Konstruktionsbauteil grundsätzlich ein Prüfkörper hergestellt, der bereits auch soweit optimiert wurde, dass die Soll-Geometrie genau erreicht wird, so sind bereits geringste Abweichungen von dieser Soll-Geometrie bei der Prüfung des Prüfkörpers als Indikator dafür zu verstehen, dass der Fertigungsprozess fehlerhaft abgelaufen ist. Aufgrund der vergleichsweise einfachen Geometrie des Prüfkörpers kann dieser leicht vermessen werden, um solche Abweichungen von der Soll-Geometrie rationell zu ermitteln. Nur wenn diese Vermessung Hinweise auf eventuelle Probleme beim additiven Fertigungsverfahren gibt, muss das hergestellte Konstruktionsbauteil genauer untersucht werden. Nach Vermessung des Prüfkörpers, kann dieser in der bereits oben erläuterten Weise anschließend auch einer zerstörenden Werkstoffprüfung, insbesondere einem Zugversuch, unterworfen werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Prüfkörper auf der Unterlage derart hergestellt wird, dass dieser mit einem Ende über ein im Vergleich zur Stützstruktur großflächiges Areal mit der Unterlage fest verbunden ist. Dies ermöglicht ein besonders einfaches Prüfverfahren hinsichtlich der Erreichung der Soll-Geometrie des Prüfkörpers. Nach der Herstellung des Prüfkörpers wird dazu nur die Stützstruktur entfernt, während der Prüfkörper über das großflächige Areal mit der Unterlage noch fest verbunden bleibt. Dieses Areal ist nur im Vergleich zur Stützstruktur bzw. zu deren Stützelementen (z. B. Rippen) großflächig. Bezogen auf die Abmessungen des Prüfkörpers ist dieses Areal verhältnismäßig klein, so dass der Prüfkörper nach Entfernung der Stützstruktur bereits seine Soll-Geometrie einnehmen kann. Gleichzeitig ist er über das großflächige Areal derart mit der Unterlage verbunden, dass die Unterlage eine Referenzfläche für Vermessungen zur Verfügung stellt. Dies erleichtert die Messungen. Zum Beispiel kann die Höhe des Prüfkörpers bezogen auf die Unterlage gemessen werden und mit einem Soll-Wert verglichen werden, der sich bei der genauen Einstellung der Soll-Geometrie ergeben müsste.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn der Prüfkörper mit zumindest einer ebenen Teilfläche hergestellt wird, die schräg zu dem durch das Fertigungsverfahren hergestellten Lagen liegt. Die hergestellten Lagen werden durch das Pulverbett definiert und liegen gewöhnlich parallel zur Unterlage. Eine schräge Fläche erlaubt es, den Prüfkörper zusätzlich für Aussagen hinsichtlich der verfahrensbedingt erreichten Oberflächengüte heranzuziehen. Hiermit kann der Prüfkörper zusätzlich die Funktion übernehmen, die sonst durch die Herstellung der eingangs erwähnten Dimensionspyramiden erfüllt werden.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die genannte schräg stehende Teilfläche Teil des Zug- oder Biegeabschnittes ist. Hierbei findet der Umstand Berücksichtigung, dass die Oberfläche des Zugabschnittes dann nicht parallel zur Unterlage liegt, da dies eventuell zu einer geringeren Oberflächengüte dieser Fläche führen würde, als wenn diese schräg liegt. Der Prüfkörper lässt sich daher mit schräg liegenden Teilflächen mit einer besseren Qualität herstellen.
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Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe durch das eingangs angegebene Prüfungsverfahren für ein pulverbett-basiertes additives Fertigungsverfahren dadurch gelöst, dass der Prüfkörper in der oben angegebenen Weise hergestellt wird. Anschließend wird der Prüfkörper auf Abweichungen seiner Geometrie bezüglich seiner Soll-Geometrie als Zugprobe oder Biegeprobe untersucht und danach wird der Prüfkörper einem Zug- oder Biegeversuch unterworfen. Hierdurch werden die oben bereits genannten Vorteile erreicht, nämlich, dass ein einziger Prüfkörper für mehrere Untersuchungen verwendet werden kann. Insbesondere Prüfkörper, die einer zerstörenden Werkstoffprüfung unterzogen werden, wie auch Prüfkörper, die auf Abweichungen ihrer Geometrie hin untersucht werden sollen, müssen ein gewisses Volumen aufweisen, um zuverlässige Messergebnisse zu erhalten. Vorteilhaft werden also zwei Funktionen in einem Prüfkörper integriert, welche normalerweise in zwei unterschiedlichen Prüfkörpern realisiert werden müssten. Hierdurch wird Material und Fertigungszeit eingespart.
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Die Abweichungen der Geometrie des Prüfkörpers von seiner Soll-Geometrie, also der Geometrie, die nach Herstellung des Prüfkörpers sich aufgrund seines Eigenspannungsverhaltens automatisch einstellt, kann durch eine Vermessung des Prüfkörpers erfolgen. Hierzu kann der Prüfkörper geeignete Referenzflächen aufweisen, so dass beispielsweise dessen Länge oder dessen Höhe gemessen werden kann. Es ist selbstverständlich auch eine vollständige dreidimensionale Vermessung mit optischen oder taktilen Messmethoden möglich. Die Abweichungen von der Soll-Geometrie können natürlich auch durch Ermittlung der Abweichungen von der hergestellten Ist-Geometrie gemessen werden, wobei sich hieraus die Abweichungen von der Soll-Geomerie berechnen lassen. Als Ist-Geometrie im Zusammenhang mit der Erfindung ist diejenige Geometrie zu verstehen, die mit dem additiven Herstellungsverfahren hergestellt wird, und die von der Soll-Geometrie bewusst abweicht. Diese Ist-Geometrie nimmt der Prüfkörper nach dessen Herstellung ein, wobei bei starken herstellungsbedingt provozierten Eigenspannungen die bereits erwähnte Stützstruktur sicherstellt, dass diese Ist-Geometrie nach Herstellung des Prüfkörpers vorliegt. Wird der Prüfkörper anschließend von der Unterlage abgetrennt, wobei die Stützstruktur entfernt oder zumindest durchtrennt wird, so verlässt der Prüfkörper diese hergestellte Ist-Geometrie und sollte bei einem fehlerfreien Verfahrensablauf des additiven Fertigungsverfahrens genau die Soll-Geometrie annehmen. Diese Geometrie wird nicht als Ist-Geometrie im Sinne dieser Erfindung bezeichnet, obwohl diese dann real vorliegt. Allerdings können sich auch kleinere oder größere Abweichungen von dieser Soll-Geometrie ergeben, wobei gerade diese Abweichungen Aussagen über eventuelle Probleme beim Ablauf des Fertigungsverfahrens ermöglichen. Aber auch diese leicht von der Soll-Geometrie abweichende Geometrie soll im Zusammenhang mit dieser Erfindung ebenfalls nicht als Ist-Geometrie bezeichnet sein.
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Weiterhin kann bei dem Prüfverfahren vorteilhaft vorgesehen werden, dass aus der Untersuchung des Prüfkörpers auf Abweichungen von der Soll-Geometrie Kennwerte für das Eigenspannungsverhalten und/oder die Maßhaltigkeit der Probe abgeleitet werden. Es ist möglich, insbesondere bei einem Prüfkörper, der zur Messung auf der Unterlage verbleibt, bestimmte Kennwerte festzulegen, die dann mit bestimmten real vorliegenden Verhältnissen in der Probe ins Verhältnis gesetzt werden können. Beispielsweise kann die Höhe des Prüfkörpers auf der Unterlage ermittelt werden, wobei sich diese in Abhängigkeit des Betrags des Verzugs verändert und so auf ein größeres oder kleineres Eigenspannungsverhalten schließen lässt. Nun kann beispielsweise ein Höhenbereich definiert werden, innerhalb dessen das Eigenspannungsverhalten in den zulässigen Grenzen liegt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei dem Prüfverfahren vor der Durchführung des Zugversuches der Prüfkörper hinsichtlich weiterer Kennwerte untersucht wird, wobei ein für die Deformation beim Zug- oder Biegeversuch vorgesehener Zug- oder Biegeabschnitt des Prüfkörpers durch das Untersuchen nicht beschädigt wird. Dies ist gewährleistet bei allen Untersuchungsverfahren, die die Integrität des Prüfkörpers nicht beeinträchtigen, beispielsweise eine optische Vermessung oder die optische Begutachtung der Oberflächengüte oder die Untersuchung der Oberfläche dahingehend, ob Risse oder Delaminationen der hergestellten Lagen des Prüfkörpers zu erkennen sind. Andere Prüfungen, die eine zumindest teilweise Zerstörung des Prüfkörpers bewirken, müssen außerhalb der für den Zug- und Biegeversuch vorgesehenen kritischen Zone erfolgen. Beispielsweise kann eine Härteprüfung mit einem Messgerät, welches eine Verletzung der Oberfläche bewirkt, in einem Bereich außerhalb des Zug- oder Biegeabschnittes erfolgen, beispielsweise in den Bereichen zur Einspannung der Probe, deren Eignung zur Einspannung durch eine kleinere Verletzung der Oberfläche nicht beeinträchtigt wird. Vorteilhaft kann durch die Durchführung mehrerer Untersuchungen an dem Prüfkörper gewährleistet werden, dass sich umfangreiche Aussagen über das additive Fertigungsverfahren machen lassen. Eine zusätzliche Überprüfung anderer Aspekte vor Durchführung des Zug- oder Biegeversuches hat den Vorteil, dass der Prüfkörper in diesem Stadium noch keinerlei mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt war.
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Eine andere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, dass bei dem Prüfverfahren nach der Durchführung des Zug- oder Biegeversuches ein Teil des Prüfkörpers abgetrennt wird, der durch den Zug- oder Biegeversuch nicht beschädigt wurde, und dieser Teil des Prüfkörpers hinsichtlich weiterer Aspekte untersucht wird. Hierbei kann die Härte z. B. nach dem Vickers-Verfahren ermittelt werden. Es kann seine Dichte untersucht werden, wobei beispielsweise ein archimedisches Messprinzip (Messung der Verdrängung) zum Einsatz kommen kann. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass der abgetrennte Teil ein definiertes Volumen aufweisen kann und beispielsweise in einem Bereich angeordnet sein kann, wo vergleichsweise geringe herstellungsbedingte Abweichungen von Ist- und Soll-Geometrie vorliegen. Weiterhin kann die Oberflächengüte und/oder das Auftreten von Rissen und/oder das Auftreten von Delaminationen untersucht werden. Da nach Durchführung des Zug- oder Biegeversuches auch eine andere zerstörende Werkstoffprüfung des abgetrennten Teils des Prüfkörpers möglich ist, können auch beispielsweise Schliffe angefertigt werden. Hierdurch lässt sich auch eine Untersuchung hinsichtlich der Gefügequalität des hergestellten Prüfkörpers durchführen. Werden erfindungsgemäß die weiteren Untersuchungen also nach Durchführung des Zug- oder Biegeversuches vorgenommen, so stehen vorteilhaft alle möglichen Prüfungsverfahren zur Verfügung. Als Teile, die vom Prüfkörper abgetrennt werden können, eignen sich insbesondere die Bereiche zum Einspannen der Probe. Diese werden vergleichsweise massiv ausgebildet, um den Kraftfluss beim Durchführen der Zug- oder Biegeversuche aufnehmen zu können. Insbesondere steht daher in diesen Bereichen auch genügend Material zur Verfügung, um beispielsweise die Gefügequalität untersuchen zu können.
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Weiterhin wird die oben angegebene Aufgabe durch den eingangs erwähnten CAD-Datensatz dadurch gelöst, dass die CAD-Daten den Prüfkörper mit einer als Ist-Geometrie bezeichneten Geometrie abweichend von seiner Soll-Geometrie als Zug- oder Biegeprobe derart beschreiben, dass die sich beim Herstellen ausbildenden Eigenspannungen im Prüfkörper dahingehend berücksichtigt werden, dass dieser die Soll-Geometrie nach seiner Herstellung und Abtrennung von der Unterlage zumindest im Wesentlichen annimmt. Ein solcher CAD-Datensatz ist dazu geeignet, in ein additives Fertigungsverfahren eingebracht zu werden, bei dem neben einem Konstruktionsbauteil gleichzeitig der erfindungsgemäße Prüfkörper erzeugt werden soll. Mit dem erzeugten Prüfkörper lassen sich die bereits oben ausführlich erläuterten Vorteile erreichen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen CAD-Datensatzes ist vorgesehen, dass die CAD-Daten auch eine Stützstruktur beschreiben, die eine Herstellung des Prüfkörpers auf einer Unterlage derart erlauben, dass die Stützstruktur den Prüfkörper mit der Unterlage verbindet. Hierdurch wird es möglich, den Prüfkörper derart zu gestalten, dass die Ausbildung vergleichsweise starker Eigenspannungen während der Herstellung provoziert wird. Damit der Prüfkörper die Ist-Geometrie, die durch die CAD-Daten definiert ist, nicht bereits während der Herstellung bedingt durch die sich ausbildenden Eigenspannungen verlässt, wird die Stützstruktur vorgesehen.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der CAD-Datensatz Parameter enthält, die mit Faktoren befüllt werden können, welche eine Änderung der Abweichung der Geometrie des Prüfkörpers von seiner Soll-Geometrie, insbesondere eine Verzerrung und/oder eine Verbiegung und/oder eine Streckung und/oder eine Verkürzung, beschreiben. Hierbei wird vorteilhaft dem Umstand Rechnung getragen, dass der Prüfkörper im Vergleich zu Konstruktionsbauteilen eine vergleichsweise einfache Geometrie hat. Daher lässt sich das Maß der Abweichung seiner Ist-Geometrie von der Soll-Geometrie durch vergleichsweise einfache Parameter beschreiben. Diese können aufgrund von Erfahrungsdaten, die mit der Zeit mit dem erfindungsgemäßen Prüfkörper gesammelt werden, vorbelegt werden, so dass bereits bei einem ersten Versuch während der iterativen Optimierung eines Konstruktionsbauteils eine Probe hergestellt werden kann, die bereits nahe an das gewünschte Ergebnis heranführt. Mit anderen Worten wird bereits die erste Probe nach Abtrennung von der Unterlage eine Geometrie aufweisen, die nur unwesentlich von der Soll-Geometrie abweicht. Ist dies nicht der Fall, kann bei der ersten Iterationsschleife nach den Ursachen hierfür geforscht werden, um möglichst schnell zu einem optimierten Konstruktionsbauteil zu finden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 einen Prüfkörper, wie er nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen CAD-Datensatzes hergestellt werden könnte, als dreidimensionale Ansicht,
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2 einen Prüfkörper als Seitenansicht, bei dem Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des Prüfkörpers angedeutet sind,
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3 einen Prüfkörper, der gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen CAD-Datensatz herstellbar ist, als dreidimensionale Ansicht und
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4 bis 7 ausgewählte Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Prüfungsverfahrens.
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Gemäß 1 wurde ein Prüfkörper 11 auf einer Unterlage 12 hergestellt, der einen Zugabschnitt 13 und Bereiche 14 für eine Einspannung des Prüfkörpers im Rahmen eines Zugversuches aufweist. Dieser wurde in der dargestellten Ist-Geometrie hergestellt, wobei bei der Herstellung sichergestellt wird, dass diese Ist-Geometrie eingehalten wird. Zu diesem Zweck ist der Prüfkörper 11 mit einem Areal 15 direkt auf der Unterlage 12 hergestellt. Dieses Areal 15 gehört zu dem einen der Bereiche 14 zur Einspannung. Der Rest des Prüfkörpers ist über eine mehrere Rippen 16 aufweisende Stützstruktur starr mit der Unterlage 12 verbunden.
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Der Zugabschnitt 13 in 1 weist weitere konstruktive Details auf. Es ist beispielsweise eine Einschnürung 17 im Zugabschnitt 13 vorgesehen, der in diesem Bereich die vorliegenden Spannungen beim Zugversuch erhöht. Außerdem sind zwei Bohrungen 18 vorgesehen, die es erleichtern, den hergestellten Prüfkörper hinsichtlich seiner Maßhaltigkeit optisch oder taktil zu begutachten.
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Wie 1 zu entnehmen ist, wird der Prüfkörper 11 mit einer Ist-Geometrie hergestellt, bei der der Verlauf des Zugabschnittes 13 mit einer Biegelinie 19 hergestellt wird. Hierbei wird berücksichtigt, dass sich der Prüfkörper nach Entfernung der Rippen 16 in Richtung des angedeuteten Pfeils 20 in eine nicht näher dargestellte Soll-Geometrie mit gerader Symmetrielinie 21 des flach ausgebildeten Zugabschnittes 13 verformt. Es ist zu bemerken, dass die geometrischen Verhältnisse, insbesondere die Abweichungen zwischen Ist-Geometrie und Soll-Geometrie in 1 wie auch in allen folgenden Figuren stark übertrieben dargestellt wurde, um die Unterschiede zu visualisieren.
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Ausgewählte Schritte des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für den Prüfkörper lassen sich 2 entnehmen. Gemäß 2 wird ein Prüfkörper 11 hergestellt, der geometrisch im Wesentlichen dem Prüfkörper 11 gemäß 1 entspricht. Allerdings wird die Herstellung dieses Prüfkörpers im Vergleich zu 1 in einer um 90° gedrehten Lage durchgeführt, so dass in 2 die Schmalseite des flach ausgebildeten Zugabschnitts 13 zu sehen ist. Weiterhin ist das Areal 15 sowie die Rippen 16 als Stützstruktur zu erkennen.
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Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht die Herstellung des Prüfkörpers in einzelnen Lagen 22, die nur teilweise angedeutet sind. Das Pulver, das während der Herstellung den Prüfkörper umgibt, ist nicht dargestellt. Zu erkennen ist aber deutlich die Biegelinie 19 und die Symmetrielinie 21, die zu der strichpunktiert angedeuteten Sollgeometrie 23 gehört. Diese Sollgeometrie stellt sich ein, sobald die Rippen 16 entlang einer Schnittebene 24 durch Drahterodieren getrennt wurden. Dabei bleibt der Prüfkörper 11 über das Areal 15 zunächst mit der Unterlage 12 verbunden, so dass in dieser Lage erste Maßnahmen zur Vermessung des Prüfkörpers in seiner Soll-Geometrie vorgenommen werden können, um eventuelle Abweichungen von dieser Soll-Geometrie zu ermitteln. Beispielsweise kann die Länge l des Prüfkörpers ermittelt werden, wobei hierzu die beiden Stirnflächen als Referenz zur Verfügung stehen. Weiterhin kann die Höhe h vom höchsten Punkt des Prüfkörpers 11 hin zur Unterlage 12 gemessen werden, wobei der Winkel, in dem der Prüfkörper 11 zur Unterlage 12 steht, durch das vergleichsweise steife Areal 15 genau definiert ist.
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Gemäß 3 wird ein Probekörper mit einem Biegeabschnitt 25 hergestellt. Dieser liegt zwischen den Bereichen 14 zur Einspannung. Soll beispielsweise ein Kerbschlagbiegeversuch mit dem Prüfkörper durchgeführt werden, muss die Versuchsvorrichtung geeignete Aufnahmen für die Bereiche 14 haben. Alternativ kann der Probekörper auch durch einen Zugversuch geprüft werden, da es sich bei der Biegezone um einen flachen Bereich handelt. Sowohl für den Biegeversuch als auch für einen Zugversuch müssen die Aufnahmen geeignet für die Aufnahme der Bereiche vorbereitet sein. Werden Standard-Prüfvorrichtungen verwendet, kann dies beispielsweise durch geeignete Adapter erfolgen.
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Zu erkennen ist in 3 weiterhin, dass der Biegeabschnitt 25 mit einer Ausrichtung schräg zur Unterlage 12 hergestellt wurde. Die Rippen 16 unterstützen den Biegeabschnitt auf der dem Betrachter abgewandten Seite ähnlich wie die Dachbalken eines Dachstuhls. Zu erkennen ist weiterhin, dass der Biegeabschnitt mit einer Biegelinie 19 hergestellt wird und sich nach der Abtrennung des Prüfkörpers die gerade verlaufende Symmetrielinie 21 ergibt.
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In 4 ist ein Prüfkörper stark vereinfacht dargestellt, wobei eine Ansicht entsprechend 2 gewählt wurde. Es ist nur die Biegelinie 19 eingezeichnet. Außerdem ist zu erkennen, dass der Bereich 14, der mit dem Areal 15 fest mit der Unterlage 12 verbunden ist, einen trapezförmigen Querschnitt aufweist. Auf diese Weise entsteht am Ende des Prüfkörpers 11 eine schräge Teilfläche 26, die zur Beurteilung der Stufigkeit der Lagen 22 herangezogen werden kann.
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In 5 ist der Prüfkörper nach seiner Herstellung zu erkennen, wobei dieser noch über das Areal 15 mit der Unterlage 12 fest verbunden ist, während die Rippen 16 bereits durchtrennt wurden. Daher verformt sich der Prüfkörper aufgrund der während der Herstellung provozierten Eigenspannungen, wobei in 5 deutlich wird, dass von der Soll-Geometrie mit einer geraden Symmetrielinie 21 eine Abweichung α messbar ist. Diese Abweichung ist übertrieben dargestellt und deutet eine Art Überkompensation der Eigenspannungen an. Hieraus ließe sich beispielsweise der Schluss ziehen, die Biegelinie 19 gemäß 4 noch zu wenig stark gekrümmt ist, da die so gemäß 4 erzeugte Ist-Geometrie nicht zur gewünschten Soll-Geometrie gemäß 5 führt. Nun ist zu untersuchen, ob dies an einer fehlerhaften Herstellung liegt, so dass die Verfahrensparameter des additiven Fertigungsverfahrens iterativ angepasst werden müssen, oder ob die Gestaltung des Prüfkörpers angepasst werden muss, weil das Verfahren eigentlich mit den richtigen Parametern eingestellt ist. Letzteres ist der Fall, wenn das Konstruktionsbauteil, für das das Herstellungsverfahren eigentlich durchlaufen wird, fehlerfrei ausgebildet ist. Die Korrektur der zu erzeugenden Ist-Geometrie im zugehörigen CAD-Datensatz kann durch einen Faktor erfolgen, der die Krümmung der Biegelinie 19 wiedergibt. So lassen sich die CAD-Daten durch Korrektur eines einzigen Parameters auf einfache Weise den gegebenen Anwendungsfällen anpassen, ohne dass hierbei ein erhöhter Programmieraufwand entsteht.
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In 6 ist angedeutet, wie der Probekörper gemäß 4 nach Vereinzelung bei einem Zugversuch geprüft werden kann, nachdem dieser mit den gemäß 5 korrigierten Parametern hergestellt wurde. Die Zugkraft F ist durch Pfeile angedeutet. Es ist zu erkennen, wie sich der Zugabschnitt 13 einschnürt um am Ende reißt.
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Anschließend wird der Bereich 14 des Probekörpers mit dem trapezförmigen Querschnitt entlang einer Trennebene 27 vom Rest des Probekörpers abgetrennt. Es entsteht eine Schnittfläche, die beispielsweise gefügetechnisch untersucht werden kann. Der abgetrennte Teil kann auch für eine Dichteprüfung verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1486317 B1 [0004]
- DE 102004009126 A1 [0004]
