DE102011009624A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Prozessüberwachung - Google Patents

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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Überwachung eines generativen Fertigungsprozesses in Echtzeit, wobei ein Bauteil zumindest optisch und der Bauraum thermisch beim Schichtauftrag erfasst werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines generativen Fertigungsprozesses nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen Herstellung eines Bauteils sind z. B. in dem deutschen Patent DE 196 49 865 C1 gezeigt. Das Bauteil wird in einem Bauraum aus einer Vielzahl von einzelnen Pulverschichten aufgebaut. Dabei wird ein Laserstrahl gemäß einer Querschnittsgeometrie eines dreidimensionalen Datenmodells über eine zu erzeugende Schicht geführt, die dann an einer vorhergehenden Pulverschicht fixiert wird. Die generative Herstellung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Bauteilen mit komplexen Geometrien, jedoch erfolgt eine Überprüfung der Bauteileigenschaften bisher nur im Anschluss der Bauteilherstellung, wodurch verhältnismäßig hohe Kosten für Qualitätssicherungsmaßnahmen anfallen.
  • In jüngster Zeit ist jedoch verstärkt die Tendenz zu beobachten, den generativen Fertigungsprozess direkt und kontinuierlich zu überwachen. So wird beispielsweise in der DE 100 58 748 C1 eine Überwachung des Herstellungsprozesses unter Verwendung von optischen und thermischen Sensoren vorgeschlagen. In der Zeitschrift „rapidX”, Zeitschrift für additive Fertigung, Carl Hanser Verlag, München, Ausgabe 1–2010 wird in dem Artikel „Fertig zum Abheben" ebenfalls eine direkte und kontinuierliche Überwachung eines generativen Fertigungsprozesses erwähnt. Ebenso wird in dem Beitrag „Generative Verfahren Einsatz und Forschung" vom 29. April 2009 zum Kooperationsforum „Generative Fertigungstechnologien unter der Folienüberschrift „Schritte zur Qualifizierung des SLM-Prozesses" eine Prozessüberwachung mittels optischer Systeme genannt. Gemäß diesem Stand der Technik scheint eine direkte und kontinuierliche Überwachung eines generativen Fertigungsprozesses wie einem selektiven Lasersintern (SLS) oder einem selektiven Laserschmelzen (SLM) per se bekannt zu sein, jedoch erfolgt keine Spezifizierung des jeweiligen Überwachungsprozesses.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Überwachung eines generativen Fertigungsprozesses vorzustellen das eine direkte und kontinuierliche Prozessüberwachung ermöglicht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung eines generativen Fertigungsprozesses, bei dem ein Bauteil anhand eines dreidimensionalen Datenmodells aus einer Vielzahl von Schichten in einem Bauraum gebildet wird und eine nachfolgende Schicht an einer vorhergehenden Schicht mittels eines Hochenergiestrahls fixiert wird, werden erfindungsgemäß das Bauteil zumindest optisch und der Bauraum thermisch beim Schichtauftrag erfasst. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine direkte und kontinuierliche und somit Online- bzw. Echtzeit-Prozessüberwachung, wodurch Information über jede hergestellte Schicht des Bauteils erfasst werden. Dabei können durch die zumindest optische Überwachung der jeweiligen Schicht bzw. des jeweiligen Schichtabschnitts in Kombination mit der thermischen Überwachung des Bauraums Wechselwirkungen zwischen dem Bauteil und dem Bauraum erkannt werden. Am Ende des Fertigungsprozesses kann eine detaillierte Aussage über den Zustand bzw. die Eigenschaften des gefertigten Bauteils und somit über dessen Qualität getroffen werden. Nachträgliche Arbeitsschritte zur Qualitätssicherung erübrigen sich somit. Kosten für die nachträgliche Qualitätssicherung werden vollständig eliminiert. Die Informationen über das Bauteil sind dabei lückenlos verfügbar, so dass die Qualität jeder einzelnen Schicht bzw. jedes einzelnen Schichtabschnitts erfasst wird.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die erfassten Daten während des Fertigungsprozesses bewertet und beim Überschreiten einer jeweiligen maximal zulässigen Abweichung Prozessparameter entsprechend geändert. Hierdurch wird der laufende Herstellungsprozess in Echtzeit nachgeregelt, wodurch das Bauteil in optimaler Qualität erstellt werden kann. Somit wird ausgeschlossen, dass sich bspw. Bindungsfehler über das gesamte Bauteil ausbreiten.
  • Bevorzugterweise erfolgt eine Umrisserkennung bzw. eine optische 2D-Vermessung nach der zuletzt erzeugten Schicht und/oder nach dem Aufbringen eines Pulvers. Hierdurch kann ein Einzelverzug jeder Schicht erfasst und die jeweilige Strahlführung bei der folgenden Schicht entsprechend angepasst werden. Die Umrisserkennung kann beispielsweise im Rahmen einer 2D-Bildverarbeitung erfolgen.
  • Erfolgt die 2D-Untersuchung nach dem Auftragen des Pulvers, jedoch vor dem Sintern bzw. Aufschmelzen, so können Poren detektiert und beseitigt werden.
  • Alternativ bzw. ergänzend kann eine Farbanalyse der zuletzt erzeugten Schicht durchgeführt werden, wodurch beispielsweise Fremdpartikel erfasst werden können.
  • Bei einer Verfahrensvariante wird nach der zuletzt gefertigten Schicht hinsichtlich ihrer Beschaffenheit bzw. Eigenschaften wie Bindungsfehler, Schichtdicke und Fremdpartikel untersucht. Dies kann beispielsweis mittels einer thermischen Analyse basierend auf Methoden und Mitteln der Thermografie erfolgen. Erfolgt die Thermografische Untersuchung nach dem Auftragen des Pulvers jedoch vor dem Sintern bzw. Aufschmelzen, so können Fremdpartikel detektiert werden. Liegen Fremdpartikel vor so kann die Pulverlage einfach abgezogen werden.
  • Die Erfassung der Beschaffenheit der jeweiligen Schicht kann auch bzw. ergänzend zur thermischen Analyse mittels von der Schicht reflektierten Lichtes erfolgen. Dies kann beispielsweise mittels einer Lichtquelle zur Aussendung von Lichtwellen und mit einem Lichtsensor zur Erfassung des reflektierten Lichts durchgeführt werden.
  • Die Beschaffenheit der zuletzt erzeugten Schicht kann auch mittels Wirbelströmen erfasst werden. Dies kann beispielsweise durch Wirbelstromsensoren erfolgen und eignet sich insbesondere bei ebenen Schichten.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein von dem Hochenergiestrahl erzeugtes Schmelzbad thermisch erfasst, so dass kontrolliert werden kann, ob der Hochenergiestrahl hinsichtlich seiner Paramater wie Leistung, Strahldurchmesser, Vorschub optimal eingestellt ist. Diese thermische Überwachung kann beispielsweise durch eine Verfolgung der Temperatur des Schmelzbades beim Energiestrahlauftreffpunkt mit Hilfe eines nachsteuernden Pyrometers erfolgen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Bauteil nach seiner Herstellung bzgl. seines gesamten Verzugs erfasst. Dies kann über eine optische 3D-Vermessung des gefertigten Bauteils im Rahmen einer 3D-Bildverarbeitung erfolgen.
  • Eine Verfahrensvariante ermöglicht eine Klassifizierung von Schichtmaterial in Echtzeit, auf der dann aufbauend Prozessparameter eingestellt werden bzw. eine Parametersteuerung erfolgt. Bei Verwendung eines Pulvers als Schichtmaterial können somit Schwankungen in der Pulverqualität während des Fertigungsprozesses durch angepasste Prozessparameter ausgeglichen werden.
  • Eine erfindungsgemäße Durchführung eines derartigen Verfahrens hat zumindest eine optische Erfassungseinrichtung zur optischen Erfassung zumindest einer Bauteilschicht und zumindest eine thermische Erfassungseinrichtung zur thermischen Erfassung eines das Bauteil aufnehmenden Bauraums. Eine derartige Vorrichtung ermöglicht eine direkte und kontinuierliche Überwachung sämtlicher Bauteilschichten und eine Steuerung und Regelung von Prozessparametern.
  • Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Bauteil schichtweise aus einer Vielzahl von Schichten, vorzugsweise aus einem Pulvermaterial, in einem Bauraum gebildet. Dabei wird ein Hochenergiestrahl wie ein Laser- oder ein Elektronenstrahl entsprechend einer Querschnittsgeometrie eines dreidimensionalen Datenmodells über eine zu verfestigende Schicht geführt, die beim Verfestigen an der vorhergehenden Schicht fixiert wird. Beim Auftreffen des Hochenergiestrahls wird ein Schmelzbad gebildet und die zu verfestigende Schicht wird partiell aufgeschmolzen. Nach einer Weiterführung des Hochenergiestrahls kühlt der aufgeschmolzene Schichtabschnitt ab und ist an einem vorhergehenden Schichtabschnitt bzw. der vorhergehenden Schicht fixiert. Die darunter liegende Schicht wird zumindest teilweise erneut geschmolzen, es entsteht eine durchgehende Schweißverbindung.
  • Zur Überwachung des Fertigungsprozesses werden das Bauteil optisch sowie thermisch und der Bauraum thermisch beim Schichtauftrag erfasst. Eine optische Erfassung kann zum Beispiel mittels einer optischen Kamera erfolgen, deren aufgezeichnetes Bild dann zur Bewertung mit einem Soll-Bild der zuletzt erzeugten Schicht überlagert wird. Eine thermische Erfassung kann zum Beispiel mittels einer Wärmebildkamera erfolgen, bei der die von dem Bauraum abgegebene Wärmestrahlung im Infrarotbereich erfasst wird, die im Wesentlichen von dem in den Bauraum positionierten Bauteil bzw. Bauteilabschnitt und dem Hochenergiestrahl bestimmt wird. Die erfassten Ist-Daten über den Zustand der aufgebrachten Bauteilschicht und des Bauraums werden mit hinterlegten Soll-Daten verglichen. Beim Überschreiten einer jeweiligen maximal zulässigen Abweichung wird aktiv in die Prozesssteuerung eingegriffen und Prozessparameter werden entsprechend geändert. So kann zum Beispiel bei einem zu hohen Temperaturgradienten innerhalb des Bauteils der Schichtauftrag, der Hochenergiestrahl bzgl. seiner Parameter wie Leistung, Strahldurchmesser und Vorschub entsprechend geändert werden. Ebenso kann eine Vorwärmung des Pulvers auf eine bestimmte Temperatur zum Auftrag an die ermittelten Ist-Daten angepasst werden. Des Weiteren wird zur Einstellung der Prozessparameter die Qualität des Pulvers an sich erfasst und ausgewertet.
  • Bevorzugterweise wird eine 2D-Bildverarbeitung der zuletzt erzeugten Schicht zur Erkennung ihrer Umrisse durchgeführt. Bei einem ermittelten Schichtverzug außerhalb vorgebender Toleranzgrenzen wird zumindest die Führung des Hochenergiestrahls entsprechend angepasst.
  • Zusätzlich erfolgt eine thermische Analyse der zuletzt erzeugten Schicht beispielsweise mit Hilfe der Thermografie zur Messung der jeweiligen Schichteigenschaften wie Bindungsfehler innerhalb der Schicht, Bindungsfehler zur vorhergehenden Schicht, Schichtdicke sowie in der Schicht eingebundene Fremdpartikel. Des Weiteren wird die zuletzt erzeugte Schicht mit Licht bestrahlt und das reflektierte Licht zur Ermittlung von Fremdpartikeln und Verarbeitungsfehlern kontinuierlich erfasst und ausgewertet. Wenn es sich bei der zuletzt erzeugten Schicht um eine ebene Schicht handelt, wird ihre Beschaffenheit bzw. ihr Aufbau zusätzlich mittels Wirbelströmen erfasst und entsprechend ausgewertet.
  • Nach der Erzeugung des Bauteils wird eine optische 3D-Vermessung durchgeführt. Dabei wird zur Erkennung eines Bauteilverzuges seine Außengeometrie vollumfänglich erfasst.
  • Zusätzlich wird während des Fertigungsprozesses die Temperatur des Schmelzbades beim Auftreffen des Hochenergiestrahls auf die jeweilige Schicht mit Hilfe eines dem Hochenergiestrahl nachsteuernden Pyrometers beobachtet.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung einer derartigen Prozessüberwachung weist zumindest eine optische Erfassungseinrichtung wie eine optische Kamera zur Erfassung einer Bauteilschicht bzw. des gesamten Bauteils sowie eine thermische Erfassungseinrichtung wie eine Wärmebildkamera zur thermischen Erfassung des Bauraums auf. Darüber hinaus hat die Vorrichtung einen dem Hochenergiestrahl nachsteuerbaren Pyrometer, eine Lichterfassungseinrichtung mit einer Lichtquelle zur Aussendung von Lichtwellen in Richtung der zuletzt erzeugten Schicht und mit einem Lichtsensor zur Erfassung des reflektierten Lichtes, sowie einen Wirbelstromsensor zum Erfassen des jeweiligen Schichtaufbaus.
  • Offenbart ist ein Verfahren zur Überwachung eines generativen Fertigungsprozesses in Echtzeit, wobei ein Bauteil zumindest optisch und der Bauraum thermisch beim Schichtauftrag erfasst werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19649865 C1 [0002]
    • DE 10058748 C1 [0003]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Carl Hanser Verlag, München, Ausgabe 1–2010 wird in dem Artikel „Fertig zum Abheben” [0003]
    • „Generative Verfahren Einsatz und Forschung” vom 29. April 2009 zum Kooperationsforum „Generative Fertigungstechnologien unter der Folienüberschrift „Schritte zur Qualifizierung des SLM-Prozesses” [0003]

Claims (12)

  1. Verfahren zur Überwachung eines generativen Fertigungsprozesses, bei dem ein Bauteil anhand eines dreidimensionalen Datenmodells aus einer Vielzahl von Schichten in einem Bauraum gebildet wird, wobei eine nachfolgende Schicht an einer vorhergehenden Schicht mittels eines Hochenergiestrahls fixiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest optisch und der Bauraum thermisch beim Schichtauftrag erfasst werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erfassten Daten während des Fertigungsprozesses bewertet und beim Überschreiten einer maximal zulässigen Abweichung Prozessparameter geändert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine 2D-Vermessung nach einer zuletzt erzeugten Schicht und/oder nach dein Auftragen eines Pulvers durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei eine Farbanalyse der zuletzt erzeugten Schicht durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine thermische Analyse nach der zuletzt erzeugten Schicht und/oder nach dem Auftragen eines Pulvers durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei von der zuletzt erzeugten Schicht reflektiertes Licht erfasst wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschaffenheit der zuletzt erzeugten Schicht mittels Wirbelströmen erfasst wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein vom Hochenergiestrahl erzeugtes Schmelzbad thermisch erfasst wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem letzten Schichtauftrag und/oder nach dem Auftragen eines Pulvers eine optische 3D-Vermessung des Bauteils durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Klassifizierung von Schichtmaterial durchgeführt wird und auf dieser aufbauend eine Steuerung von Prozessparametern erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, wobei die Rauheit nach einer erzeugten Schicht und/oder nach dem Aufbringen eines Pulvers über ein Lasertastschnittverfahren erfasst wird.
  12. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit zumindest einer optischen Erfassungseinrichtung zur optischen Erfassung zumindest einer Bauteilschicht und zumindest einer thermischen Erfassungseinrichtung zur thermischen Erfassung eines das Bauteil aufnehmenden Bauraums.
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