DE102015224266A1

DE102015224266A1 - Überwachungsvorrichtung, Fertigungssystem sowie Verfahren zur Überwachung einer Fertigungsstation

Info

Publication number: DE102015224266A1
Application number: DE102015224266.8A
Authority: DE
Inventors: Torsten Burkert; Maximilian Meixlsperger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung (1) zum Überwachen einer Fertigungsstation (2) für ein additives Fertigungsverfahren, aufweisend mindestens eine Ermittlungsvorrichtung (3) zum Ermitteln mindestens eines Prozessparameters der Fertigungsstation (2) sowie eine Aufnahmevorrichtung (4) zur Aufnahme der Ermittlungsvorrichtung. Die Aufnahmevorrichtung (4) weist eine Transportschnittstelle (5) zur Anbindung der Überwachungsvorrichtung (1) an ein Transportsystem (6) eines Fertigungssystems (7) auf, wobei das Transportsystem (6) ausgebildet ist, Bauplattformen (8) zur Fertigungsstation (2) hin sowie von der Fertigungsstation (2) weg zu bewegen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung mindestens einer Fertigungsstation (2) eines Fertigungssystems (7).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Fertigungsstation für ein additives Fertigungsverfahren, insbesondere einer Fertigungsstation für einen SLM-Prozess. Ferner betrifft die Erfindung ein Fertigungssystem aufweisend eine derartige Überwachungsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Überwachung mindestens einer Fertigungsstation eines Fertigungssystems.
Es ist eine Vielzahl unterschiedlicher additiver Fertigungsverfahren bekannt, bei denen ein Bauteil auf einer Bauplattform mittels einer Fertigungsstation schichtweise additiv erzeugt wird. Ein verbreitetes additives Verfahren ist das selektive Strahlschmelzen, das auch als „Selective Laser Melting“ bzw. „SLM-Verfahren“ bezeichnet wird. Bei SLM-Verfahren wird eine Schicht aus einem Pulver oder Granulat eines schmelzbaren Bauteilwerkstoffs auf eine Bauplattform gleichmäßig aufgebracht. Mittels eines Hochleistungslasers wird zumindest ein definierter Teilbereich der Schicht derart erhitzt, dass der Bauteilwerkstoff in diesem Teilbereich aufgeschmolzen wird. Der Teilbereich entspricht einer Schicht des zu erzeugenden Bauteils. Das Pulver bzw. Granulat in diesem Teilbereich bildet durch das Aufschmelzen einen Verbund, der sich nach der Erhitzung durch den Laser abkühlt und erstarrt.
Bei Bauteilen, die aus mehreren Schichten erzeugt werden müssen, werden diese Prozesse wiederholt durchgeführt, bis das zu erzeugende Bauteil fertiggestellt ist. Dabei wird in bekannten Verfahren die Bauplattform um eine Schichtdicke der zuletzt erzeugten Schicht relativ zum Hochleistungslaser abgesenkt, damit eine Oberfläche der erzeugten Bauteilschicht für die Erzeugung einer weiteren Bauteilschicht auf der Oberfläche in Abhängigkeit einer Fokussierung des Hochleistungslasers optimal zu diesem angeordnet ist. Anschließend wird eine neue Pulver- bzw. Granulatschicht auf die bereits erzeugte Bauteilschicht sowie die Bauplattform aufgetragen und eine weitere Bauteilschicht durch gezieltes Aufschmelzen des Bauteilwerkstoffs mittels des Laserstrahls erzeugt. Auf diese Weise sind sehr komplexe Bauteile, die beispielsweise Kavitäten oder Hinterschneidungen aufweisen, erzeugbar. Zur Erhöhung der Prozesssicherheit, insbesondere zur Gewährleistung eines gleichmäßigen Aufschmelzens sowie einer genauen Randabgrenzung der definierten Teilbereiche, werden derartige additive Fertigungsverfahren oftmals innerhalb einer Schutzatmosphäre, vorzugsweise unter Ausschluss von Sauerstoff und Feuchtigkeit, durchgeführt.
Die Qualität, insbesondere Prozesssicherheit und Prozessgenauigkeit, additiver Fertigungsverfahren ist von einer Vielzahl unterschiedlicher Faktoren abhängig. Bei SLM-Verfahren sind qualitätsbeeinflussende Faktoren insbesondere eine Feuchtigkeit des Pulvers, eine Pulververteilung, die Kaustik sowie Intensität des Laserstrahls und Zusammensetzung sowie Druck der Schutzatmosphäre. Zur Gewährleistung einer hohen Prozesssicherheit bzw. Prozessgenauigkeit sind Fertigungsstationen zur additiven Fertigung von Bauteilen sowie mittels derartiger Fertigungsstationen erzeugte Bauteile bzw. Bauteilschichten in regelmäßigen Zeitabständen einer Qualitätskontrolle zu unterziehen.
Für eine herkömmliche Prozessüberwachung einer Fertigungsstation für ein SLM-Verfahren weisen Fertigungsstationen Messvorrichtungen, wie z.B. Thermographiekameras oder Kamerasysteme zum Monitoring von Schmelzbaddynamiken sowie für Gut-Schlechtvergleiche auf. Diese Vorrichtungen sind oftmals fest an eine Fertigungsstation angebunden und ermöglichen lediglich eine Überwachung der Bauteilschicht während sowie nach dessen Erzeugung. Einige Fertigungsstationen weisen integrierte Laserleistungsmessvorrichtungen auf, die lediglich zum Messen einer Leistung des Laserstrahls ausgebildet sind. Die herkömmliche Prozessüberwachung von Fertigungsstationen hat demnach den Nachteil, dass die für die Qualität des Werkzeugs Laser relevanten Prozessparameter nur unzureichend ermittelbar sind. Ferner verursachen integrierte Messvorrichtungen hohe Investitions- sowie Wartungskosten und haben eine hohe Ausfallwahrscheinlichkeit.
Zur genauen Bestimmung weiterer Prozessparameter des Lasers, wie z.B. einer Kaustik, muss die Fertigung der Fertigungsstation zunächst angehalten werden. Spezielle Messvorrichtungen, z.B. zum Messen der Kaustik des Laserstrahls, werden anschließend zum Untersuchen des Laserstrahls an der Fertigungsstation angeordnet. Eine derartige Bestimmung hat den Nachteil, dass dieser Vorgang ist sehr zeitaufwändig ist und einen Fertigungsstopp der Fertigungsstation erfordert. Hierdurch werden hohe Kosten aufgrund von Fertigungsausfällen verursacht. Ein spontanes Überprüfen der Prozessparameter eines Lasers, z.B. aufgrund eines Verdachts eines Defekts, ist ohne eine massive Beeinträchtigung der Fertigung nicht möglich.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Fertigungsstation für ein additives Fertigungsverfahren, einem Fertigungssystem sowie einem Verfahren zur Überwachung mindestens einer Fertigungsstation eines Fertigungssystems zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Überwachungsvorrichtung, ein Fertigungssystem sowie ein Verfahren zur Überwachung mindestens einer Fertigungsstation eines Fertigungssystems zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise die Überwachung von Prozessparametern einer Fertigungsstation ermöglichen. Ferner sollen zur Ermittlung der Prozessparameter erforderliche Fertigungsstillstände reduziert werden.
Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe gelöst durch eine Überwachungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Fertigungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie durch ein Verfahren zur Überwachung mindestens einer Fertigungsstation eines Fertigungssystems mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Überwachungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fertigungssystem bzw. Verfahren zur Überwachung mindestens einer Fertigungsstation eines Fertigungssystems und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Fertigungsstation für ein additives Fertigungsverfahren gelöst. Die Überwachungsvorrichtung weist mindestens eine Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln mindestens eines Prozessparameters in der Fertigungsstation sowie eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme der Ermittlungsvorrichtung auf. Die Überwachungsvorrichtung weist eine Transportschnittstelle zur Anbindung der Überwachungsvorrichtung an ein Transportsystem eines Fertigungssystems auf. Das Transportsystem ist beispielsweise ausgebildet, Bauplattformen zur Fertigungsstation hin sowie von der Fertigungsstation weg zu bewegen. Dabei kann die Transportschnittstelle an der Aufnahmevorrichtung angeordnet sein, die auch die wenigstens Ermittlungsvorrichtung aufnimmt.
Eine Überwachungsvorrichtung ist im Sinne der Erfindung eine Vorrichtung, die zum Ermitteln und/oder Messen von Prozessparametern, wie z.B. die Beschaffenheit einer Pulverschichtoberfläche, die Oberflächentemperatur an einer Aufschmelzstelle der Pulverschicht, die Dynamik eines Schmelzbads oder die Beschaffenheit einer erzeugten Bauteiloberfläche, ausgebildet ist. Zwischen Prozessparametern, wie z.B. Intensität des Laserstrahls, und Prozessergebnissen, wie z.B. Beschaffenheit einer Bauteilschicht, wird im Rahmen der Erfindung der Einfachheit halber nicht unterschieden und werden zusammengefasst als Prozessparameter bezeichnet. Zum Ermitteln der Prozessparameter weist die Überwachungsvorrichtung mindestens eine Ermittlungsvorrichtung auf. Die Ermittlungsvorrichtung ist an einer Aufnahmevorrichtung der Überwachungsvorrichtung gehalten. Die Überwachungsvorrichtung ist vorzugsweise derart an einer Fertigungsstation anordenbar, dass ein Fertigungsprozess innerhalb der Fertigungsstation von der Überwachungsvorrichtung überwachbar ist und von der Überwachungsvorrichtung nicht beeinträchtigt wird. Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Überwachungsvorrichtung, z.B. zur Ermittlung der Kaustik des Laserstrahls, derart an der Fertigungsstation anordenbar ist, dass für die Dauer der Vermessung der Kaustik kein Fertigungsprozess erfolgen kann.
Eine Fertigungsstation ist eine Vorrichtung, die zur additiven Fertigung von Bauteilen in einem Arbeitsbereich ausgebildet ist, wie z.B. eine SLM-Fertigungsstation. Das additive Fertigen bzw. Erzeugen des Bauteils erfolgt beispielsweise auf einer Bauplattform. Bei einer SLM-Fertigungsstation ist die Bauplattform z.B. zur Aufnahme des pulver- bzw. granulatförmigen Bauteilwerkstoffs ausgebildet und weist eine geschlossene bzw. im Wesentlichen geschlossene Grundfläche auf. Die Bauplattform ist an ein Transportsystem eines Fertigungssystems angebunden und somit zur Fertigungsstation hin sowie von der Fertigungsstation weg bewegbar.
Die Transportschnittstelle ist vorzugsweise als komplementärer Teil zu einer Gegentransportschnittstelle eines Transportsystems eines Fertigungssystems zum Bewegen von Bauplattformen ausgebildet. D.h. die Transportschnittstelle ist vorzugsweise mit einer entsprechenden Gegentransportschnittstelle des Transportsystems, wie z.B. einer Schiene oder einem auf einer Schiene geführtem Schlitten, koppelbar. Ein solcher Schlitten kann beispielsweise auch zur Aufnahme einer Bauplattform ausgebildet sein. Alternativ kann die Transportschnittstelle auch zur Anbindung an ein Transportsystem ausgebildet sein, das im Wesentlichen zum Bewegen der Überwachungsvorrichtung ausgebildet ist. Mittels der Transportschnittstelle ist die komplette Überwachungsvorrichtung, die mindestens eine Aufnahmevorrichtung mit mindestens einer Ermittlungsvorrichtung aufweist, relativ zur Fertigungsstation verfahrbar. Dies ermöglicht ein leichtes Heranführen der Überwachungsvorrichtung zur Fertigungsstation sowie leichtes Entfernen der Überwachungsvorrichtung von der Fertigungsstation.
Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Überwachungsvorrichtung ausgebildet ist, relativ zur Fertigungsstation ausgerichtet und/oder gehalten zu werden. Eine optimale Ausrichtung der Überwachungsvorrichtung zur Fertigungsstation ist zum präzisen Ermitteln der Prozessparameter besonders wichtig. Überdies ist die Überwachungsvorrichtung vorzugsweise ausgebildet, an der Fertigungsstation vom Transportsystem entkoppelt zu werden, so dass Bauplattformen mittels des Transportsystems bewegbar sind, während die Überwachungsvorrichtung an der Fertigungsstation angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Unterbrechung einer laufenden Produktion der Bauteile nicht zwingend erforderlich ist, wenn die Überwachungsvorrichtung an der Fertigungsstation angeordnet ist.
Ein Fertigungssystem ist im Sinne der Erfindung ein System, das zur Herstellung des Bauteils mittels des additiven Herstellungsverfahrens ausgebildet ist. Grundelemente eines solchen Fertigungssystems sind z.B. die Bauplattform, eine Fertigungsstation zum Erzeugen einer Pulverschicht aus Bauteilwerkstoff auf der Bauplattform sowie zum gezielten Aufschmelzen mindestens eines Teilbereichs der Pulverschicht zur Erzeugung einer Bauteilschicht und ein Transportsystem zum Bewegen der Bauplattformen zur Fertigungsstation hin sowie von der Fertigungsstation weg. Das Erzeugen der Pulverschicht erfolgt vorzugsweise in einem Erzeugungsbereich und das Aufschmelzen in einem Arbeitsbereich der Fertigungsstation, wobei vorzugsweise im Erzeugungsbereich und im Arbeitsbereich gleichzeitig jeweils mindestens eine Bauplattform anordenbar ist. Auf diese Weise ist eine Auslastung des Fertigungssystems verbessert.
Eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung hat den Vorteil, dass eine Überwachung einer Vielzahl von Prozessparametern der Fertigungsstation sowie des Prozessergebnisses während der laufenden Fertigung erfolgen kann. Die Überwachungsvorrichtung ist leicht an der Fertigungsstation anordenbar sowie von dieser wieder entfernbar. Dies ist auch zur Wartung bzw. Reparatur der Überwachungsvorrichtung von Vorteil. Fertigungsstillstände sind somit vermeidbar bzw. im Wesentlichen vermeidbar. Ferner ist mit einer Überwachungsvorrichtung eine Mehrzahl von Fertigungsstationen überwachbar. Hierdurch sind insbesondere Investitionskosten einsparbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Überwachungsvorrichtung vorgesehen sein, dass die Transportschnittstelle ein Rad und/oder einen Schlitten und/oder eine Fixierschnittstelle zum Anbinden an eine Gegentransportschnittstelle des Transportsystems, an eine Bauplattform und/oder an einen Bauplattformträger aufweist. Eine derartige Transportschnittstelle ist beispielsweise zur Anbindung an ein auf Schienen basierendes Transportsystem ausgebildet und ist demnach auf den Schienen bewegbar, z.B. im Gleichtakt mit an den Schienen angeordneten Bauplattformen bzw. Bauplattformträgern zum Tragen der Bauplattformen. Alternativ ist die Transportschnittstelle zur Anbindung an das Transportsystem über die Bauplattform bzw. den Bauplattformträger ausgebildet. Die Überwachungsvorrichtung ist in diesem Fall über die Transportschnittstelle beispielsweise an einen Bauplattformträger ankoppelbar und somit gemeinsam mit diesem auf dem Transportsystem bewegbar. Es ist bevorzugt, dass eine an der Fertigungsstation angeordnete Überwachungsvorrichtung vom Transportsystem, der Bauplattform oder dem Bauplattformträger entkoppelbar ist, um ein Bewegung von Bauplattformen zur Fertigungsstation hin sowie von der Fertigungsstation weg nicht zu behindert. Auf diese Weise ist die Fertigungsstation bei laufender Fertigung von der Überwachungsstation überwachbar.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Überwachungsvorrichtung, insbesondere die Aufnahmevorrichtung, mindestens eine Schutzwand aufweist, wobei die Schutzwand ausgebildet ist, die Ermittlungsvorrichtung vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Die Schutzwand ist beispielsweise zum Abschirmen der Ermittlungsvorrichtung von der Pulverschicht ausgebildet, um die Ermittlungsvorrichtung z.B. vor hohen Temperaturen zu schützen. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Schutzwand durchsichtig ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist die Ermittlungsvorrichtung zur Vermessung einer Kaustik und/oder Leistung eines Laserstrahls und/oder zum Bestimmen einer Temperatur und/oder zur optischen Analyse einer Oberfläche, insbesondere einer erzeugten Pulverschicht und/oder Bauteilschicht, ausgebildet. Mittels einer derartigen Ermittlungsvorrichtung sind für eine Qualität eines additiv erzeugten Bauteils relevante Prozessparameter der Fertigungsstation überprüfbar. Eine Vermessung der Kaustik erfolgt beispielsweise durch Einfahren zumindest eines Teils der Überwachungsvorrichtung in einen Strahlengang des Lasers und Ablenken eines Teils des Laserstrahls, der z.B. um die 2% der Intensität des Laserstrahls aufweist. Somit wird sichergestellt, dass die Überwachungsvorrichtung durch den Laser nicht beschädigt wird. Über den abgelenkten Laserstrahl ist die Kaustik des Gesamtlaserstrahls ermittelbar. Während dieses Vorgangs ist eine Produktion vorübergehend gestoppt. Ein Vorteil einer Ermittlungsvorrichtung, die zum Ermitteln einer Vielzahl unterschiedlicher Prozessparameter ausgebildet ist, ist, dass zum Ermitteln der unterschiedlichen Prozessparameter nur eine Überwachungsvorrichtung erforderlich ist. Hierdurch ist ein Überwachungsprozess der Fertigungsstation verbesserbar. Ferner können hierdurch Platz sowie Kosten gespart werden.
Es ist bevorzugt, dass die Ermittlungsvorrichtung einen CCD-Chip und/oder einen IR-Sensor aufweist. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass eine Ermittlungsvorrichtung mehrere dieser Chips bzw. Sensoren aufweist. Dies hat den Vorteil, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Prozessparameter überwachbar ist. Ferner kann durch eine Redundanz sichergestellt werden, dass auch bei beschädigter bzw. verschmutzter Ermittlungsvorrichtung zuverlässig Prozessparameter ermittelbar sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Fertigungssystem zum additiven Fertigen eines Bauteils. Das Fertigungssystem weist mindestens eine Fertigungsstation zum additiven Fertigen von Bauteilen und ein Transportsystem auf, wobei das Transportsystem zum Bewegen von Bauplattformen zur Fertigungsstation hin sowie zum Bewegen der Bauplattformen von Fertigungsstation weg ausgebildet ist. Die Bauplattformen sind als Grundlagen zur additiven Fertigung von Bauteilen ausgebildet. Überdies weist das Fertigungssystem mindestens eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung auf.
Eine Bauplattform ist eine Grundlage auf der das Bauteil additiv erzeugbar ist und weist vorzugsweise eine ebene bzw. im Wesentlichen ebene Grundfläche auf. Die Fertigungsstation ist beispielsweise zur Durchführung eines SLM-Verfahrens ausgebildet. Eine derartige Fertigungsstation weist beispielsweise mindestens eine Aufschmelzstation zum gezielten Aufschmelzen eines definierten Bereichs der Pulverschicht auf. Die Aufschmelzstation weist insbesondere einen Laser auf. Es kann vorgesehen sein, dass die Fertigungsstation neben der Aufschmelzstation auch eine Bereitstellungsstation zum Anordnen der Pulver- bzw. Granulatschicht aus Bauteilwerkstoff auf der Bauplattform aufweist. Das Bereitstellen von Bauteilwerkstoff sowie das Aufschmelzen des Bauteilwerkstoffs sind somit gleichzeitig auf verschiedenen Bauplattformen durchführbar. Anschließend ist die Bauplattform von der Aufschmelzstation aus der Fertigungsstation entfernbar, die Bauplattform von der Bereitstellungsstation zur Aufschmelzstation bewegbar und ggf. eine weitere Bauplattform zur Bereitstellungsstation bewegbar.
Das Transportsystem ist zum Bewegen der Bauplattformen entlang dem Transportsystem, z.B. auf einer Schiene des Transportsystems, ausgebildet. Die Bauplattformen sind somit der Fertigungsstation zuführbar, z.B. zum Fertigen eines Bauteils sowie von dieser wegführbar, z.B. zum Weiterleiten des gefertigten Bauteils.
Das Fertigungssystem weist vorzugsweise eine Kapselung auf, die das Bereitstellen einer Schutzatmosphäre ermöglicht. Dies ist insbesondere beim Aufschmelzen des Bauteilmaterials vorteilhaft, da somit das Erzeugen einer beschädigten bzw. fehlerhaften Bauteilschicht reduziert wird.
Bei dem beschriebenen Fertigungssystem ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Fertigungsstation für ein additives Fertigungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Überwachungsvorrichtung über eine Transportschnittstelle der Überwachungsvorrichtung mit dem Transportsystem gekoppelt. Die Transportschnittstelle der Überwachungsvorrichtung ist vorzugsweise an einen Teil, insbesondere eine Gegentransportschnittstelle, des Transportsystems ankoppelbar und ist z.B. als Schlitten ausgebildet, der beispielsweise auf einer Schiene des Transportsystems anordenbar sowie entlang dieser führbar ist. Alternativ kann die Transportschnittstelle ausgebildet sein, die Überwachungsvorrichtung indirekt mit dem Transportsystem zu koppeln, beispielsweise zum Koppeln mit einer Bauplattform, die z.B. über eine Schlittenführung mit dem Transportsystem gekoppelt ist. Dies hat den Vorteil, dass ein Entkoppeln der Überwachungsvorrichtung vom Transportsystem leicht sowie mit einfachen Mitteln möglich ist. Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Überwachungsvorrichtung vom Transportsystem entkoppelbar ist, insbesondere an der Fertigungsstation. Somit können mittels des Transportsystems Bauplattformen bewegt werden, während die Überwachungsvorrichtung an der Fertigungsstation angeordnet bleibt. Somit können mittels der Überwachungsvorrichtung bei laufender Produktion Prozessparameter ermittelt werden. Lediglich bei der Vermessung der Kaustik des Laserstrahls ist es bevorzugt, dass die Produktion gestoppt ist, da bei der Vermessung in den Strahlengang des Lasers eingegriffen wird.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Überwachungsvorrichtung vorgesehen sein, dass die Überwachungsvorrichtung ausgebildet ist, zur Ermittlung mindestens eines Prozessparameters der Fertigungsstation mittels des Transportsystems in einen Arbeitsbereich der Fertigungsstation bewegt zu werden. Hierdurch ist die Überwachungsstation mit einfachen Mitteln innerhalb des Fertigungssystems einen Einsatzort der Überwachungsvorrichtung zuverlässig sowie flexibel hin- sowie wieder wegbewegbar. Hierdurch können Stillstandzeiten des Fertigungssystems sowie Investitionskosten auf vorteilhafte Weise gesenkt werden.
Es ist bevorzugt, dass die Fertigungsstation zur Durchführung eines SLM-Verfahrens zum additiven Herstellen eines Bauteils ausgebildet ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung mindestens einer Fertigungsstation eines Fertigungssystems, wobei die Fertigungsstation zur additiven Fertigung eines Bauteils durch ein SLM-Verfahren ausgebildet ist. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

– Bereitstellen mindestens einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung,
– Heranbewegen der Überwachungsvorrichtung an einen Arbeitsbereich einer Fertigungsstation mittels eines Transportsystems des Fertigungssystems,
– Ermitteln mindestens eines IST-Prozessparameters der Fertigungsstation mittels einer Ermittlungsvorrichtung der Überwachungsvorrichtung,
– Auswerten des mindestens einen ermittelten IST-Prozessparameters, und
– Wegbewegen der Überwachungsvorrichtung von dem Arbeitsbereich der Fertigungsstation mittels des Transportsystems des Fertigungssystems.

Beim Heranbewegen des Überwachungssystems an einen Arbeitsbereich einer Fertigungsstation ist das Überwachungssystem an ein Transportsystem des Fertigungssystems gekoppelt. Ein Arbeitsbereich ist ein Bereich an der Fertigungsstation, in dem die Pulverschicht und/oder mindestens eine Bauteilschicht durch Aufschmelzen des Pulvers erzeugt werden. Dabei kann das Überwachungssystem je nach Anforderung an den Arbeitsbereich und/oder in den Arbeitsbereich bewegt werden. Vorzugsweise wird das Überwachungssystem hierfür über eine Bauplattform mit dem Transportsystem gekoppelt und wird somit zusammen mit der Bauplattform an bzw. in den Arbeitsbereich bewegt.
Das Ermitteln des mindestens einen IST-Prozessparameters erfolgt entweder während einer laufenden Fertigung, z.B. ein optisches Kontrollieren einer Pulverschicht- oder Bauteiloberfläche, oder ohne laufende Fertigung in dem überwachten Bereich der Fertigungsstation, z.B. bei einer Vermessung der Kaustik des Lasers. Bei der Vermessung der Kaustik wird der Laser vorzugsweise normal betrieben, d.h. dass der Laser wie beim Erzeugen der Bauteilschicht betrieben wird. Hierbei wird zumindest ein Teil der Überwachungsvorrichtung zwischen Laser und Pulver angeordnet, so dass bei der Vermessung der Kaustik kein Pulver aufgeschmolzen wird. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass mehrere verschiedene IST-Prozessparameter, wie z.B. Druck, Temperatur oder Oberflächenbeschaffenheit, ermittelt werden. Ferner kann das Ermitteln des IST-Prozessparameters beispielsweise einmalig, wiederholt oder fortlaufend erfolgen.
Beim Auswerten des mindestens einen IST-Prozessparameters wird festgestellt, ob sich der IST-Prozessparameter in einem festgelegten Normalbereich befindet oder nicht. Ein IST-Prozessparameter außerhalb des Normalbereichs bedeutet, dass die Fertigungsstation eine Störung aufweist und eine Qualität der erzeugten Bauteile bzw. eine Prozesssicherheit der Fertigungsstation nicht gewährleistet werden kann. Ein Handeln, wie z.B. eine Reparatur, Wartung, Reinigung oder Kalibrierung der Fertigungsstation ist demnach erforderlich.
Nachdem ausreichend viele IST-Prozessparameter ermittelt wurden, um eine Arbeitsweise bzw. Funktionstüchtigkeit der Fertigungsstation beurteilen zu können, also mindestens ein IST-Prozessparameter, wird die Überwachungsvorrichtung wieder über das Transportsystem von dem Arbeitsbereich wegbewegt und steht der Überwachung einer weiteren Fertigungsstation zur Verfügung. Dies hat den Vorteil, dass zur Überwachung einer Mehrzahl von Fertigungsstationen nur eine Überwachungsvorrichtung erforderlich ist. Hierdurch sind Investitionskosten reduzierbar.
Bei dem beschriebenen Verfahren ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Fertigungsstation für ein additives Fertigungsverfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Es ist bevorzugt, dass als IST-Prozessparameter eine Kaustik und/oder Leistung eines Laserstrahls und/oder eine Beschaffenheit einer Bauteilschichtoberfläche einer mittels der Fertigungsstation erzeugten Bauteilschicht und/oder eine Temperatur in der Fertigungsstation und/oder der Bauteilschicht ermittelt werden. Derartige Prozessparameter sind mittels der Überwachungseinheit leicht ermittelbar und liefern qualitative sowie quantitative Informationen über eine Arbeitsweise bzw. einen Zustand einer Fertigungsstation.
Besonders bevorzugt werden beim Auswerten ermittelte IST-Prozessparameter mit vorbestimmten SOLL-Prozessparametern verglichen. Somit ist eine etwaige Abweichung der IST-Prozessparameter von den SOLL-Prozessparametern feststellbar. Diese Abweichung ist quantifizierbar, so dass bei einem Überschreiten der Abweichung eines vordefinierten Schwellwerts ein entsprechendes Feedback an einen Betreiber des Fertigungssystems ausgebbar ist, so dass bedarfsgerecht entsprechende Korrektur- bzw. Wartungs- oder Reparaturmaßnahmen durchgeführt werden können.
Vorzugsweise wird ab einer vorbestimmten, maximalen Abweichung eines IST-Prozessparameters von einem SOLL-Prozessparameter ein Alarm ausgelöst und/oder die Produktion der Fertigungsstation und/oder des Fertigungssystems angehalten und/oder über eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung der Prozessparameter geregelt. Somit sind eine Störung leicht erkennbar und Maßnahmen zur Behebung der Störung einleitbar.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Überwachungsvorrichtung oder zumindest ein Teil der Überwachungsvorrichtung zwischen einer Arbeitsposition einer Bauplattform und einem Laser der Fertigungsstation angeordnet wird. Dies ist beispielsweise für eine Vermessung der Kaustik des Laserstrahls von Vorteil. Hierbei wird beispielsweise eine Abzweigoptik in einen Strahlengang des Lasers zum Abzweigen eines Teils des Laserstrahls gebracht. Anhand des abgezweigten Teils ist die Kaustik des Laserstrahls bestimmbar. Eine Arbeitsposition ist eine Position an der die Bauplattform zum gezielten Aufschmelzen eines bestimmten Bereichs der Pulverschicht am bzw. im Arbeitsbereich der Fertigungsstation anordenbar ist. Bei der Durchführung des Verfahrens ist es im Rahmen der Durchführung einer Vermessung der Kaustik des Laserstrahls unerheblich, ob eine Bauplattform an der Arbeitsposition angeordnet ist oder nicht. Vorzugsweise ist eine mit einer Pulverschicht beladene Bauplattform an der Arbeitsposition angeordnet, damit im Anschluss an die Vermessung der Kaustik die Herstellung des Bauteils möglichst schnell wieder aufgenommen werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Überwachungsvorrichtung derart in dem Arbeitsbereich der Fertigungsstation angeordnet, dass mittels der Fertigungsstation im Arbeitsbereich ein SLM-Verfahren zur schichtweisen Erzeugung eines Bauteils weiterhin möglich ist. Ein Ermitteln von Prozessparametern, wie z.B. Temperatur, Schmelzbaddynamik, Pulveroberflächen- sowie Bauteiloberflächenausbildung, ist somit während der Fertigung bzw. Erzeugung von Bauteilen möglich. Dies hat den Vorteil, dass somit Totzeiten des Fertigungssystems reduziert und Fertigungskosten somit gesenkt werden.
Eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Fertigungsstation für ein additives Fertigungsverfahren sowie ein erfindungsgemäßes Fertigungssystem werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
1 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung, und
2 in einer Draufsicht einen Ausschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fertigungssystems.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 und 2 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung 1 in einer Seitenansicht schematisch abgebildet. Die Überwachungsvorrichtung 1 weist eine Aufnahmevorrichtung 4 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel rahmenförmig mit zwei erkennbaren Vertikalträgern 4a und zwei erkennbaren Horizontalträgern 4b ausgebildet ist. Vorzugsweise weist die Aufnahmevorrichtung 4 mindestens vier Vertikalträger 4a auf. Die Vertikalträger 4a und/oder Horizontalträger 4b können auch plattenförmig ausgebildet sein. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Aufnahmevorrichtung 4 als C-Ständer mit nur einem bzw. zwei Vertikalträgern 4a ausgebildet ist.
An dem in dieser Darstellung rechten Vertikalträger 4a sind ein CCD-Chip 11 sowie ein IR-Sensor 12 einer durch eine Strichlinie gekennzeichnete Ermittlungsvorrichtung 3 angeordnet. An dem oberen Horizontalträger 4b ist eine Schwenkvorrichtung 17 mit einer Abzweigoptik 16 der Ermittlungsvorrichtung 3 angeordnet. Mittels der Schwenkvorrichtung 17 ist die Abzweigoptik 16 in einen Strahlengang eines Laserstrahls schwenkbar. Das Bewegen der Abzweigoptik 16 in den Strahlengang kann auch über eine alternative Vorrichtung erfolgen, z.B. translatorisch, rotatorisch oder kombiniert.
An dem unteren Horizontalträger 4b ist seitlich eine Transportschnittstelle 5 zum Anbinden der Überwachungsvorrichtung 1 an ein Transportsystem 6 eines Fertigungssystems 7 (vgl. 2), insbesondere an eine Gegentransportschnittstelle eines Transportsystem 6 eines Fertigungssystems 7, angeordnet. Die Transportschnittstelle 5 ist als Fixierschnittstelle 9 zum lösbaren Fixieren der Überwachungsvorrichtung 1 an eine Bauplattform 8 des Fertigungssystems 7 (vgl. 2) ausgebildet. An dem oberen Horizontalträger 4b sind seitlich Halteschnittstellen 18 zum Halten der Überwachungsvorrichtung 1 an der Fertigungsstation 2 (vgl. 2) ausgebildet. Somit ist die Überwachungsvorrichtung 1 vom Transportsystem 6 abkoppelbar und an der Fertigungsstation 2 fixierbar, während das Transportsystem 6 Bauplattformen 8 bewegt.
In 2 ist schematisch in einer Draufsicht ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Fertigungssystems 7 dargestellt. Das Fertigungssystem 7 weist eine Fertigungsstation 2 zum additiven Herstellen eines Bauteils mittels eines Lasers 15 auf. Über ein Transportsystem 6 sind Bauplattformen 8, auf denen die Bauteile erzeugbar sind, in Transportrichtung T in eine Arbeitsposition 14 an einem Arbeitsbereich 13 der Fertigungsstation 2 heranbewegbar, z.B. vor dem Erzeugen des Bauteils, sowie in Transportrichtung T von der Arbeitsposition 14 wieder wegbewegbar, z.B. nach dem Erzeugen des Bauteils. Auf einer Bauplattform 8 ist eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung 1 angeordnet und ist somit zusammen mit dieser mittels des Transportsystems 6 in Transportrichtung T bewegbar.
Zur Überwachung der Fertigungsstation 2 ist die Überwachungsvorrichtung 1 in die Arbeitsstation 2 hineinfahrbar und über Halteschnittstellen 18 (vgl. 1) an dieser temporär fixierbar, wobei die Überwachungsvorrichtung 1 hierfür von der Bauplattform 8 und somit vom Transportsystem 6 entkoppelbar ist. Somit ist die Fertigungsstation 2 auch bei laufender Produktion mittels der Überwachungsvorrichtung 1 überwachbar.
Bezugszeichenliste

1: Überwachungsvorrichtung
2: Fertigungsstation
3: Ermittlungsvorrichtung
4: Aufnahmevorrichtung
4a: Vertikalträger
4b: Horizontalträger
5: Transportschnittstelle
6: Transportsystem
7: Fertigungssystem
8: Bauplattform
9: Fixierschnittstelle
10: Schutzwand
11: CCD-Chip
12: IR-Sensor
13: Arbeitsbereich
14: Arbeitsposition
15: Laser
16: Abzweigoptik
17: Schwenkvorrichtung
18: Halteschnittstelle
T: Transportrichtung

Claims

Überwachungsvorrichtung (1) zum Überwachen einer Fertigungsstation (2) für ein additives Fertigungsverfahren, aufweisend mindestens eine Ermittlungsvorrichtung (3) zum Ermitteln mindestens eines Prozessparameters in der Fertigungsstation (2) sowie eine Aufnahmevorrichtung (4) zur Aufnahme der Ermittlungsvorrichtung (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (1) eine Transportschnittstelle (5) zur Anbindung der Überwachungsvorrichtung (1) an ein Transportsystem (6) eines Fertigungssystems (7) aufweist.
Überwachungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportschnittstelle (5) ein Rad und/oder einen Schlitten und/oder eine Fixierschnittstelle (9) zum Anbinden an eine Gegentransportschnittstelle des Transportsystems (6), eine Bauplattform (8) und/oder an einen Bauplattformträger aufweist.
Überwachungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (1) mindestens eine Schutzwand (10) aufweist, wobei die Schutzwand (10) ausgebildet ist, die Ermittlungsvorrichtung (3) vor Umgebungseinflüssen zu schützen.
Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungsvorrichtung (3) zur Vermessung einer Kaustik und/oder Leistung eines Laserstrahls und/oder zum Bestimmen einer Temperatur und/oder zur optischen Analyse einer Oberfläche ausgebildet ist.
Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlungsvorrichtung (3) einen CCD-Chip (11) und/oder einen IR-Sensor (12) aufweist.
Fertigungssystem (7), aufweisend mindestens eine Fertigungsstation (2) zum additiven Fertigen von Bauteilen und ein Transportsystem (6) zum Bewegen von Bauplattformen (8) zur Fertigungsstation (2) hin sowie zum Bewegen der Bauplattformen (8) von Fertigungsstation (2) weg, wobei die Bauplattformen (2) als Grundlagen zur additiven Fertigung von Bauteilen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Fertigungssystem (7) mindestens eine Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.
Fertigungssystem (7) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (1) über eine Transportschnittstelle (5) der Überwachungsvorrichtung (1) mit dem Transportsystem (6) gekoppelt ist.
Fertigungssystem (7) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (1) ausgebildet ist, zur Ermittlung mindestens eines Prozessparameters der Fertigungsstation (2) mittels des Transportsystems (6) in einen Arbeitsbereich (13) der Fertigungsstation (2) bewegt zu werden.
Fertigungssystem (3) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigungsstation (2) zur Durchführung eines SLM-Verfahrens zum additiven Herstellen eines Bauteils ausgebildet ist.
Verfahren zur Überwachung mindestens einer Fertigungsstation (2) eines Fertigungssystems (7), wobei die Fertigungsstation (2) zur additiven Fertigung eines Bauteils durch ein SLM-Verfahren ausgebildet ist, aufweisend die Schritte: – Bereitstellen mindestens einer Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – Heranbewegen der Überwachungsvorrichtung (1) an einen Arbeitsbereich (13) einer Fertigungsstation (2) mittels eines Transportsystems (6) des Fertigungssystems (7), – Ermitteln mindestens eines IST-Prozessparameters der Fertigungsstation (2) mittels einer Ermittlungsvorrichtung (3) der Überwachungsvorrichtung (1), – Auswerten des mindestens einen ermittelten IST-Prozessparameters, und – Wegbewegen der Überwachungsvorrichtung (1) von dem Arbeitsbereich (13) der Fertigungsstation (2) mittels des Transportsystems (6) des Fertigungssystems (7).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als IST-Prozessparameter eine Kaustik und/oder Leistung eines Laserstrahls und/oder eine Beschaffenheit einer Bauteilschichtoberfläche einer mittels der Fertigungsstation (2) erzeugten Bauteilschicht und/oder eine Temperatur in der Fertigungsstation(2) und/oder der Bauteilschicht ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Auswerten ermittelte IST-Prozessparameter mit vorbestimmten SOLL-Prozessparametern verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ab einer vorbestimmten, maximalen Abweichung eines IST-Prozessparameters von einem SOLL-Prozessparameter ein Alarm ausgelöst und/oder die Produktion der Fertigungsstation (2) und/oder des Fertigungssystems (7) angehalten und/oder über eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung der Prozessparameter geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Überwachungsvorrichtung (1) zwischen einer Arbeitsposition (14) einer Bauplattform (8) und einem Laser (15) der Fertigungsstation (2) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (1) derart in dem Arbeitsbereich (13) der Fertigungsstation (2) angeordnet wird, dass mittels der Fertigungsstation (2) im Arbeitsbereich (13) ein SLM-Verfahren zur schichtweisen Erzeugung eines Bauteils weiterhin möglich ist.