DE102016115241A1 - Adaptiver generativer fertigungsprozess unter verwendung des vor-ort-laser-ultraschalltestens - Google Patents

Adaptiver generativer fertigungsprozess unter verwendung des vor-ort-laser-ultraschalltestens Download PDF

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Anand A. Kulkarni
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Abstract

Ein generativer Fertigungsprozess, der Folgendes umfasst: selektives Erwärmen einer Schicht eines Pulvers (18), um eine feste aufgetragene Schicht (10) zu bilden, die eine feste Ablagerung (28) umfasst, wobei die feste aufgetragene Schicht einen Teil (24) einer Komponente bildet, über einen selektiven Laser-Erwärmungsprozess; Ausbreiten von Ultraschallenergiewellen (50, 60) durch die feste Ablagerung vor der Fertigstellung der Komponente unter Verwendung eines Wellenerzeugungs-Lasers (40), der entfernt von einer Oberfläche (44) der festen Ablagerung angeordnet ist, um einen Wellenerzeugungs-Laserstrahl (42) auf die Oberfläche zu lenken; Detektieren der ausgebreiteten Ultraschallenergiewellen (62); Beurteilen der ausgebreiteten Ultraschallwellen bezüglich der Informationen über eine physikalische Eigenschaft der festen Ablagerung; und Bilden einer weiteren festen aufgetragenen Schicht (80) in Reaktion auf die über die feste Ablagerung erhaltenen Informationen.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US-Patentanmeldung, laufende Nr.: 14/833,365, eingereicht am 24. August 2015, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Vor-Ort-Laser-Ultraschalltesten einer Komponente, das zwischen der Bildung von Schichten in einem generativen Fertigungsprozess stattfindet.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die generative Fertigung beginnt oft durch das Zerschneiden einer dreidimensionalen Darstellung eines herzustellenden Objekts in sehr dünne Schichten, wobei dadurch ein zweidimensionales Bild jeder Schicht erzeugt wird. Um jede Schicht zu bilden, umfassen populäre generative Laser-Fertigungstechniken, wie z. B. das selektive Laserschmelzen (SLM) und das selektive Lasersintern (SLS), die mechanische Vorabanordnung einer dünnen Schicht eines Metallpulvers mit einer genauen Dicke auf einer horizontalen Ebene. Eine derartige Vorabanordnung wird unter Verwendung eines mechanischen Abstreifers erreicht, um eine gleichmäßige Schicht des Pulvers zu bestreichen oder die Schicht abzuziehen, wobei danach ein Energiestrahl, wie z. B. ein Laser, gemäß dem zweidimensionalen Muster des festen Materials für die jeweilige Schicht über die Pulverschicht weitergeschaltet wird. Nachdem die Weiterschaltungsoperation für die jeweilige Schicht abgeschlossen ist, wird die horizontale Ebene des aufgetragenen Materials abgesenkt, wobei der Prozess wiederholt wird, bis das dreidimensionale Teil fertiggestellt ist.
  • Die physikalischen Eigenschaften eines fertiggestellten Teils von Bedeutung enthalten sowohl Defekte (Fehlstellen, Risse usw.) als auch einen Betrag der Eigenspannung, teilweise deswegen, weil die Eigenspannung ein Verziehen und ein frühzeitiges Reißen verursachen kann. Die Kenntnis des Betrags der Eigenspannung in dem festen Teil der Komponente kann unter Verwendung bekannter Techniken, wie z. B. des Bohrlochverfahrens, bestimmt werden. Dies erfordert jedoch eine Materialentfernung und ist deshalb wenigstens halbzerstörend. Röntgen- und Neutronenbeugungstechniken sind störungsfrei, sie sind aber teuer und können nicht vor Ort ausgeführt werden. Zusätzlich erfordern diese Techniken die Entfernung der Komponente, damit die Bewertung ausgeführt wird. Das magnetische Testen ist außerdem zerstörungsfrei, wobei es sich aber auf eine Wechselwirkung zwischen der Magnetisierung und der elastischen Dehnung in einem ferromagnetischen Material stützt. Folglich ist das magnetische Testen notwendigerweise auf ferromagnetische Materialien eingeschränkt. Die Laser-Ultraschalldetektion der physikalischen Eigenschaften ist im Gebiet des Schweißens und Fügens bekannt, wobei sie aber im Gebiet der generativen Fertigung kaum bekannt ist, wobei diese nicht gleichzeitig mit der Bildung der Komponente und/oder direkt an der Komponente, die gebildet wird, ausgeführt werden. Entsprechend bleibt Raum in der Technik für einen verbesserten, zerstörungsfreien Prozess zur Detektion einer physikalischen Eigenschaft, wie z. B. einer Eigenspannung oder von Defekten.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung im Hinblick auf die Zeichnungen erklärt, die Folgendes zeigen:
  • 1 stellt einen generativen Laser-Fertigungsprozess dar.
  • 2 stellt einen Laser-Ultraschalldetektionsprozess für physikalische Eigenschaften dar.
  • 3 stellt eine Option des Bildens einer festen aufgetragenen Schicht nach dem Laser-Ultraschalldetektionsprozess für physikalische Eigenschaften durch das Abweichen von den während des generativen Fertigungsprozesses verwendeten Parametern dar.
  • 4 stellt eine Option des Ausführens eines Eigenspannungs-Abbauprozesses nach dem Laser-Ultraschalldetektionsprozess für physikalische Eigenschaften dar.
  • 5 stellt den generativen Laser-Fertigungsprozess und den Laser-Ultraschalldetektionsprozess für physikalische Eigenschaften dar, die an einer festen Ablagerung ausgeführt werden.
  • 6 ist ein Ablaufplan, der eine beispielhafte Ausführungsform eines generativen Fertigungsprozesses unter Verwendung eines Laser-Ultraschalldetektionsprozesses für physikalische Eigenschaften darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Wie bei vielen Fertigungsprozessen führen die selektiven Laser-Erwärmungsprozesse (z. B. SLM, SLS) zu physikalischen Eigenschaften, wie z. B. einem Defekt und/oder einem Aufbau einer Eigenspannung. Das Eigenspannungsniveau kann hoch sein und kann die strukturelle Integrität der Komponente beeinflussen. Folglich ist es vorteilhaft, sowohl den Betrag der vorhandenen Eigenspannung als auch irgendwelche anderen Defekte zu kennen. Die Erfinder haben erkannt, dass eine Eigenspannung innerhalb jeder Schicht auftreten kann und sich mit der Bildung zusätzlicher Schichten aufbauen kann und dass es vorteilhaft ist, die physikalischen Eigenschaften während des generativen Fertigungsprozesses zu identifizieren.
  • Frühere Techniken, die der Steuerung der Eigenspannung z. B. beim Aufbauen einer Schaufelspitze zugeordnet sind, enthalten das Abwechseln der Anwendung des Laserstrahls von Seite zu Seite, um die Eigenspannungen auszugleichen. Diese Teile können dann wärmebehandelt werden, um die Eigenspannungen weiter abzuschwächen. Diese Prozesse messen jedoch nicht notwendigerweise die Eigenspannung während der Bildung der Komponente, sondern sie sagen stattdessen ihr Vorhandensein als eine vorgegebene Größe vorher, wobei sie dann die angenommene Eigenspannung ausgleichen/abschwächen. Es ist bekannt, dass die Eigenschaften eines Schmelzbades, das verwendet wird, um eine Schicht in einem generativen Fertigungsprozess zu bilden, unter Verwendung einer Kamera bewertet werden können, um ein Bild des Schmelzbades aufzunehmen. Während diese Technik Informationen über das Schmelzbad bereitstellt, stellt sie jedoch keine Informationen über physikalische Eigenschaften, die vorhanden sein können, nachdem das Schmelzbad erstarrt ist, und auch nicht der Schichten unter dem Schmelzbad bereit.
  • Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben einen generativen Fertigungsprozess entwickelt, der physikalische Eigenschaften innerhalb einer Komponente überwacht, wenn die Komponente gebildet wird, und den generativen Fertigungsprozess in Reaktion darauf anpasst, was über die physikalischen Eigenschaften in Erfahrung gebracht wird. Die physikalischen Eigenschaften (z. B. die Eigenspannung) werden unter Verwendung eines Laser-Ultraschalldetektionsprozesses für physikalische Eigenschaften überwacht, der einen Laser verwendet, der von der Komponente entfernt angeordnet ist, um einen Wellenerzeugungs-Laserstrahl auf eine Oberfläche einer zuletzt gebildeten festen aufgetragenen Schicht zu lenken. In der Technik sind berührungslose Laser-Ultraschalldetektionsprozesse für physikalische Eigenschaften bekannt, wie sie z. B. durch Daniel Levesque u. a., Defect Detection and Residual Stress Measurement in Friction Stir Welds using Laser Ultrasonics, 1st International Symposium an Laser Ultrasonics: Science, Technology and Applications, 16.–18. Juli 2008, Montreal, Kanada, beschrieben sind. Die Laser-Ultraschalldetektion von Eigenspannung ist z. B. durch Karabutov, Alexander, u. a., Laser Ultrasonic Diagnostics of Residual Stress, Ultrasonics, 48, 631–635, (2008), beschrieben.
  • Bei einem derartigen Prozess verursacht der Wellenerzeugungs-Laserstrahl Schallwellen, die sich sowohl durch die zuletzt gebildete feste aufgetragene Schicht als auch durch irgendwelche darunterliegende feste aufgetragene Schichten ausbreiten. Die Ultraschallenergiewellen werden innerhalb der Komponente reflektiert, wobei die reflektierten Ultraschallenergiewellen durch einen Wellendetektions-Laserstrahl unter Verwendung bekannter Techniken detektiert werden können. Die Ultraschallenergiewellen werden analysiert, wobei die Eigenspannung und/oder die Defekte in der zuletzt gebildeten festen aufgetragenen Schicht und/oder irgendwelchen darunterliegenden festen aufgetragenen Schichten bestimmt werden können. Falls gewünscht kann der generative Fertigungsprozess eingestellt werden, wie es notwendig ist, um die Eigenspannung auszugleichen und/oder abzuschwächen. Die Einstellungen können das Ändern der Weise, in der eine anschließend gebildete feste aufgetragene Schicht gebildet wird, und/oder das Ausführen eines Eigenspannungs-Abbauprozesses an der Komponente vor dem Bilden einer weiteren festen aufgetragenen Schicht enthalten.
  • 1 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines generativen Laser-Fertigungsprozesses dar, bei dem eine feste aufgetragene Schicht 10 auf vorher gebildeten festen aufgetragenen Schichten 12 gebildet wird. Während des generativen Fertigungsprozesses lenkt ein Heizlaser 14 selektiv einen Laserstrahl 16 zu dem Pulver 18, um das Pulver 18 zu erwärmen, um die feste aufgetragene Schicht 10 zu bilden. Der Laserstrahl 16 kann die Pulverpartikel als Teil eines selektiven Laser-Sinterprozesses zusammensintern. Alternativ kann der Laserstrahl 16 die Pulverpartikel gemeinsam in ein Schmelzbad 20 schmelzen, das dann erstarrt, um die feste aufgetragene Schicht 10 zu bilden. Die feste aufgetragene Schicht 10 und die vorher gebildeten festen aufgetragenen Schichten 12 bilden einen Stapel 22, der ein Teil 24 einer (nicht gezeigten) Komponente ist, die gebildet wird. Während der Bildung der festen aufgetragenen Schicht 10 werden eine oder mehrere feste Ablagerungen 28 gebildet, die, wenn die Schicht fertiggestellt ist, die feste aufgetragene Schicht 10 bilden. Es kann eine feste Ablagerung 28 gebildet werden und kontinuierlich wachsen, bis die feste aufgetragene Schicht 10 gebildet ist. Alternativ können mehrere diskrete feste Ablagerungen 28 in irgendeinem Muster gebildet werden, bis sie sich vereinigen, um die feste aufgetragene Schicht 10 zu bilden.
  • Der selektive Laser-Erwärmungsprozess kann unter Verwendung eines Satzes von Parametern ausgeführt werden. Die Prozessparameter enthalten pulverbezogene Parameter, wie z. B. eine Partikelgröße und eine Schichtdicke 30 usw. Die Größe der Pulverpartikel kann für eine gesamte Schicht variiert werden oder sie kann lokal innerhalb einer Schicht variiert werden. Feinere Pulverpartikel erfordern z. B. weniger Energie, um sie zu erwärmen, während eine größere Partikelgröße mehr Wärme erfordert. Die Partikelgröße kann dann variiert werden, um den lokalen Erwärmungsanforderungen zu entsprechen, die benötigt werden, um die lokale Eigenspannung abzubauen.
  • Diese Prozessparameter können außerdem laserbezogene Parameter, wie z. B. eine Richtung 32 des Laserstrahldurchlaufs, die Laserstrahlenergie, den Laserstrahldurchmesser 34, die Laserstrahldurchlaufrate (durch das Pulver) enthalten. In dem Fall eines Impulslasers können die Lasereigenschaften die Impulseigenschaften, wie z. B. die Frequenz und die Dauer usw., enthalten. Zusätzlich kann der Laserweg, der beim Bilden der festen aufgetragenen Schicht 10 genommen wird, variieren. Anstelle des Folgens eines Weges von einem Ende zum anderen Ende des aufgetragenen Pulvers 18, um die feste aufgetragene Schicht 10 zu bilden, kann der Laserstrahl 16 z. B. von einem Ort zu einem weiteren entfernten Ort in dem aufgetragenen Pulver 18 herumspringen. In einem derartigen Fall kann der Laserstrahl 16 zuerst einen Ort oder Orte in dem Pulver 18 in einer Weise bearbeiten, die effektiv ist, um die Eigenspannung, die detektiert worden ist, abzubauen, und dann einen Rest des Pulvers 18 bearbeiten, um die feste aufgetragene Schicht 10 fertigzustellen.
  • 2 stellt einen Laser-Ultraschalldetektionsprozess für physikalische Eigenschaften dar. Der Prozess kann nach der Fertigstellung einer festen aufgetragenen Schicht 10 implementiert werden, wobei in diesem Fall ein Wellenerzeugungs-Laser 40 einen Wellenerzeugungs-Laserstrahl 42 emittiert, der zu einer Oberfläche 44 einer zuletzt gebildeten festen aufgetragenen Schicht 46 gelenkt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Prozess während der Bildung der festen aufgetragenen Schicht 10 implementiert sein. In dieser beispielhaften Ausführungsform emittiert der Wellenerzeugungs-Laser 40 den Wellenerzeugungs-Laserstrahl 42 zu der Oberfläche 44 der festen Ablagerung, die der feste Abschnitt der teilweise gebildeten festen aufgetragenen Schicht 10 ist. Der Prozess wird hier im Allgemeinen bezüglich einer festen aufgetragenen Schicht 10 beschrieben, wobei aber erkannt wird, dass die Prinzipien auf den erstarrten Abschnitt (z. B. die feste Ablagerung) einer sich bildenden festen aufgetragenen Schicht 10 anwendbar sind.
  • Der Wellenerzeugungs-Laser 40 kann sich während dieses Prozesses entfernt von der Oberfläche (d. h., nicht in Kontakt mit der Oberfläche 44) befinden. Wenn der Wellenerzeugungs-Laserstrahl 42 mit der Oberfläche 44 in Kontakt gelangt, werden Ultraschallenergiewellen 48 erzeugt. Diese Ultraschallenergiewellen 50 breiten sich durch die zuletzt gebildete feste aufgetragene Schicht 46 aus und können an irgendeiner Anzahl von Merkmalen reflektiert werden. Diese Merkmale enthalten eine Grenzfläche 52, wie z. B. die Grenzfläche 52 zwischen der zuletzt gebildeten festen aufgetragenen Schicht 46 und einer benachbarten darunterliegenden aufgetragenen Schicht 54, einer Bodenfläche 56 des Stapels 22 oder einem Defekt 58, wie z. B. einer Fehlstelle oder einem Riss. Beim Treffen auf diese Merkmale können die Ultraschallenergiewellen 48 reflektiert werden, wobei dadurch reflektierte Ultraschallenergiewellen 60 erzeugt werden. Die reflektierten Ultraschallenergiewellen 60 breiten sich durch den Stapel 22 aus, bis sie schließlich die Oberfläche 44 erreichen. Ein Wellendetektions-Laser 70 erzeugt einen Wellendetektions-Laserstrahl 72, der zu der Oberfläche 44 gelenkt wird und zurück zu dem Wellendetektions-Laser 70 reflektiert wird, wobei er Informationen über die reflektierten Ultraschallenergiewellen 60 mit sich führt. Alternativ können sich einige der Ultraschallenergiewellen 50 ungehindert durch die zuletzt gebildete feste aufgetragene Schicht 46 bewegen, bis sie durch den Wellendetektions-Laser 70 detektiert werden. Folglich können die durch den Wellendetektions-Laser 70 detektierten ausgebreiteten Energiewellen 62 ungehinderte Ultraschallenergiewellen 50 und/oder reflektierte Ultraschallenergiewellen 60 enthalten.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform können der Heizlaser 14, der Wellenerzeugungs-Laser 40 und der Wellendetektions-Laser 70 separate Laser sein. Alternativ kann ein einziger Laser irgendwelche zwei oder alle drei der Laser 14, 40, 70 sein. Es kann z. B. ein einziger Laser verwendet werden, um das Pulver 18 zu bearbeiten und dann die Oberfläche 44 anzupingen, um die Ultraschallenergiewellen 50 zu erzeugen. Derselbe einzige Laser kann außerdem verwendet werden, um die ausgebreiteten Energiewellen 62 zu detektieren, oder es kann ein separater Laser verwendet werden, um die ausgebreiteten Energiewellen 62 zu detektieren. Wenn der Wellendetektions-Laser 70 die ausgebreiteten Wellen detektiert, kann er z. B. in Verbindung mit einem Interferometer verwendet werden, wie in der Technik bekannt ist.
  • Die physikalischen Eigenschaften eines Materials, durch das die Energiewellen hindurchgehen, können die Eigenschaften der Energiewelle ändern. Folglich übertragen die ausgebreiteten Energiewellen 62 Informationen über die physikalischen Eigenschaften der zuletzt gebildeten festen aufgetragenen Schicht 46 und/oder die vorher gebildeten festen aufgetragenen Schichten 12. Eine Analyse der Eigenschaften der ausgebreiteten Energiewellen 62 ermöglicht, dass eine Bestimmung bezüglich der physikalischen Eigenschaften ausgeführt wird, einschließlich sowohl dessen, ob bestimmte Merkmale (z. B. Fehlstellen und/oder Risse) vorhanden sind, als auch eines Betrags einer Eigenspannung, die vorhanden ist.
  • Die Informationen können direkt aus den Eigenschaften der ausgebreiteten Energiewellen 62 herausbekommen werden. Falls z. B. eine Eigenschaft (z. B. eine Amplitude usw.) der ausgebreiteten Energiewellen zu einer oder einer anderen Seite eines Schwellenwerts fällt, kann eine vorgegebene Maßnahme ergriffen werden, wie z. B. eine Änderung des generativen Fertigungsprozesses, um die Eigenspannung abzuschwächen oder zu kompensieren. Alternativ oder zusätzlich können die Eigenschaften der ausgebreiteten Energiewellen 62 ausgewertet werden und können die physikalischen Eigenschaften aus der Auswertung gefolgert werden. Diese physikalischen Eigenschaften können dann bezüglich der Annehmbarkeit bewertet werden, wobei, falls sie unannehmbar sind, eine Maßnahme ergriffen werden kann, wie z. B. eine Änderung an dem der generativen Fertigungsprozess, um die Eigenspannung abzuschwächen oder zu kompensieren. Im Fall eines gefundenen Defekts kann der generative Fertigungsprozess angehalten werden, um ihn anders zu formulieren und dann das Teil fertigzustellen oder um das Teil auszusondern.
  • Der Laser-Ultraschalldetektionsprozess für physikalische Eigenschaften wird an der zuletzt gebildeten festen aufgetragenen Schicht 46 ausgeführt, wo sie sich in einem festen Zustand befindet. Der Laser-Ultraschalldetektionsprozess kann z. B. ausgeführt werden, nachdem die gesamte zuletzt gebildete feste aufgetragene Schicht 46 gebildet worden ist und auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist. Der Laser-Ultraschalldetektionsprozess kann ausgeführt werden, unmittelbar nachdem das Pulver 18 mit dem Laser behandelt worden ist, wobei in diesem Fall das Material, das bearbeitet wird, relativ warm ist. In dem Fall des selektiven Laserschmelzens kann sich das Material in der Nähe seiner Schmelztemperatur befinden. Weil sich die Eigenschaften und ein Betrag der Eigenspannung ändern, wenn das Material abkühlt, ist die in dem letzteren Fall detektierte Eigenspannung nicht die gleiche wie die, die sie ist, sobald die Komponente fertiggestellt ist und sich auf der Umgebungstemperatur befindet.
  • Die parametrischen Daten können verwendet werden, um eine Zuordnung zwischen der detektierten Eigenspannung bei einer relativ warmen Temperatur und dem, was die Eigenspannung nach dem weiteren Abkühlen ist, zu entnehmen. Das Ausführen des Laser-Ultraschalldetektionsprozesses, kurz nachdem die Laserbehandlung abgeschlossen ist, kann im Vergleich zu der erforderlichen Zeit, zu warten, bis das Teil abkühlt, und dann den Laser-Ultraschalldetektionsprozess auszuführen, einen beträchtlichen Zeitraum einsparen. Dies kann außerdem eine weniger drastische Korrekturmaßnahme ermöglichen, die die Bildung der Eigenspannung verhindern kann, deren Bildung während des Abkühlens nach dem Laser-Ultraschalldetektionsprozess vorhergesagt ist. Die parametrischen Daten können durch das tatsächliche Messen der Eigenspannung in den Komponenten bei variierenden Temperaturen und Zuständen der Fertigstellung usw. und das Anwenden dieser Daten auf die gemessenen Daten entwickelt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Eigenspannung bei Abkühlung durch verschiedene Modellierungsalgorithmen und dergleichen vorhergesagt werden.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Laser-Ultraschalldetektionsprozess so oft wie jedes Mal, wenn eine feste aufgetragene Schicht 10 gebildet wird, stattfinden. Alternativ kann der Laser-Ultraschalldetektionsprozess in vorgegebenen Intervallen, wie z. B. bei jeder zweiten aufgetragenen festen Schicht 10 oder jeder dritten usw., stattfinden. Es können andere Faktoren in den Prozess einbezogen sein, die verwendet werden, um zu bestimmen, wann der Laser-Ultraschalldetektionsprozess stattfinden sollte, einschließlich einer Geometrie der Komponente und/oder der festen aufgetragenen Schicht 10. Wo z. B. ein Spannungserhöher, wie z. B. eine Hohlkehle, gebildet wird oder irgendeine andere Geometrie, die beim Abkühlen einer hohen Eigenspannung unterworfen wird, gebildet wird, kann der Laser-Ultraschalldetektionsprozess während der Bildung der Komponente häufiger stattfinden. Wenn umgekehrt die Geometrie weniger anfällig für eine Eigenspannung ist, kann der Laser-Ultraschalldetektionsprozess während der Bildung der Komponente weniger häufig stattfinden.
  • Wann der Laser-Ultraschalldetektionsprozess stattfindet, kann ein in den generativen Fertigungsprozess eingebautes vorgegebenes Muster sein. Der generative Fertigungsprozess kann jedoch das vorgegebene Muster während des generativen Fertigungsprozesses in Reaktion auf die Eigenspannungen, die während des generativen Fertigungsprozesses detektiert werden, modifizieren. Falls das vorgegebene Muster z. B. auf einem bestimmten Niveau der vorausgesehenen Eigenspannung an einem gegebenen Punkt während des generativen Fertigungsprozesses basiert und falls die tatsächliche Eigenspannung an dem gegebenen Punkt kleiner ist, kann das vorgegebene Muster geändert werden, so dass mehr feste aufgetragene Schichten 10 vor dem nächsten Laser-Ultraschalldetektionsprozess gebildet werden können, als mit dem vorgegebenen Muster gebildet worden wären. Falls z. B. der Laser-Ultraschalldetektionsprozess nach der zuletzt gebildeten festen aufgetragenen Schicht 46 und abermals, nachdem nur drei weitere feste aufgetragene Schichten 10 gebildet worden sind, stattfinden würde und falls der Laser-Ultraschalldetektionsprozess bestimmt, dass die Eigenspannung niedriger als vorausgesehen ist, wenn die zuletzt gebildete feste aufgetragene Schicht 46 getestet wird, kann das vorgegebene Muster geändert werden, um den nächsten Laser-Ultraschalldetektionsprozess zu planen, nachdem vier oder fünf oder mehr feste aufgetragene Schichten 10 gebildet worden sind.
  • Falls umgekehrt die vorausgesehene Eigenspannung größer als erwartet ist und falls der nächste Laser-Ultraschalldetektionsprozess geplant ist, nachdem nur drei weitere feste aufgetragene Schichten 10 gebildet worden sind, kann das vorgegebene Muster geändert werden, so dass der Laser-Ultraschalldetektionsprozess stattfindet, nachdem jede feste aufgetragene Schicht 10 gebildet worden ist.
  • Die 3 und 4 zeigen die verfügbaren Optionen, falls die detektierte Eigenspannung einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt und eine Änderung an dem generativen Fertigungsprozess auf dem Weg oder der Abbau und/oder die Abschwächung der Eigenspannung als notwendig erachtet werden. 3 stellt eine Option zum Ausgleichen der Eigenspannung durch das Bilden einer festen aufgetragenen Schicht 10 nach dem Laser-Ultraschalldetektionsprozess und durch das Abweichen von den während des generativen Fertigungsprozesses verwendeten Parametern dar. Wenn z. B. eine Eigenspannung detektiert wird und bestimmt wird, dass sie kompensiert werden kann, wenn die augenblickliche feste aufgetragene Schicht 10 gebildet wird, dann kann die Kompensation stattfinden, wenn die augenblickliche feste aufgetragene Schicht 10 gebildet wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Kompensation stattfinden, wenn eine folgende feste aufgetragene Schicht 80 gebildet wird. Es können irgendeiner, mehrere oder alle der Prozessparameter, die der Bildung der festen aufgetragenen Schicht 10 zugeordnet sind, eingestellt werden, wobei die Einstellung in der augenblicklichen und/oder der folgenden festen aufgetragenen Schicht stattfinden kann. Diese Prozessparameter enthalten die pulverbezogenen Parameter und die laserbezogenen Parameter, die oben offenbart worden sind, und irgendwelche anderen, die den Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet bekannt sind.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Bildung einer Eigenspannung in der festen aufgetragenen Schicht 10, die bearbeitet wird, detektiert werden, bevor die Eigenspannung einen Schwellenwert erreicht, wobei die Prozessparameter eingestellt werden können, um weitere Zunahmen des Eigenspannungsniveaus zu verhindern. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann eine Eigenspannung absichtlich in der zuletzt gebildeten festen aufgetragenen Schicht 46 oder ihrer festen Ablagerung 28 gebildet werden, um der Eigenspannung in einer oder mehreren der vorher gebildeten festen aufgetragenen Schichten 12 entgegenzuwirken. Dies lokalisiert die Eigenspannung im Gegensatz dazu, möglicherweise auf ihr aufzubauen. Entsprechend kann über das Anpassen der Prozessparameter die Entwicklung einer Eigenspannung in einer Schicht, die bearbeitet wird, gestoppt werden und/oder kann einer vorher gebildeten Eigenspannung entgegengewirkt werden.
  • 4 stellt eine Option des Ausführens eines Eigenspannungs-Abbauprozesses nach dem Laser-Ultraschallspannungsdetektionsprozess dar. Die Eigenspannungs-Abbauprozesse enthalten jene, die in der Technik bekannt sind, wie z. B. das Kugelstrahlen (z. B. das Laser-Kugelstrahlen), das Laser-Wiedererwärmen und die Wärmebehandlung (z. B. die induktive Wärmebehandlung). Anstelle des Änderns der Parameter oder zusätzlich zum Ändern der Parameter, die der Bildung der folgenden festen aufgetragenen Schicht 80 zugeordnet sind, um die Eigenspannung zu verringern, kann der Stapel 22 an der Stelle gelassen oder entfernt werden, um den Spannungsabbauprozess auszuführen.
  • In einer beispielhaften Ausführungsform wird der Stapel 22 für den Spannungsabbauprozess an der Stelle gelassen. Ein Laser-Kugelstrahlprozess ist für den Vor-Ort-Spannungsabbau geeignet, weil sich der verwendete Laser in derselben Prozesskammer/-umgebung befinden kann und derselbe Heizlaser 14 sein kann, der das Pulver bearbeitet. Beim Laser-Kugelstrahlen kann der Laserstrahl 16 auf die Oberfläche 44 der zuletzt gebildeten festen aufgetragenen Schicht 46 oder deren feste Ablagerung 28 gelenkt werden, um den Kugelstrahlprozess auszuführen. Das Laser-Wiedererwärmen kann den Heizlaser 14 verwenden, um einiges oder alles der zuletzt gebildeten festen aufgetragenen Schicht 46 oder deren fester Ablagerung 28 zu erwärmen, wie es notwendig ist, um die Eigenspannung abzuschwächen. Die Induktionswärmebehandlung kann vor Ort ausgeführt werden, wenn sich die Heizspulen in derselben Prozesskammer/-umgebung befinden. Die Induktionserwärmung kann dann einfach durch das Aktivieren der Heizspulen bei Bedarf ausgeführt werden. Um die Eigenspannung zu verringern, können zusätzlich die Heizspulen verwendet werden, um eine Rate zu steuern, mit der das Schmelzbad 20 und/oder die erstarrte aufgetragene Schicht 10 abkühlen. Es können irgendwelche oder alle von diesen und anderen Eigenspannungs-Abbauprozessen in Verbindung miteinander verwendet werden. Ferner können sie verwendet werden, nachdem die erstarrte aufgetragene Schicht 10 gebildet worden ist oder während die erstarrte aufgetragene Schicht gebildet wird.
  • 5 stellt eine alternative beispielhafte Ausführungsform des Laser-Ultraschallprozesses dar, der während der Bildung der festen aufgetragenen Schicht 10 implementiert ist. Es ist gezeigt, dass die beiden Prozesse gleichzeitig stattfinden. Alternativ oder zusätzlich können sie aufeinanderfolgend ausgeführt werden. In dieser beispielhaften Ausführungsform emittiert der Wellenerzeugungs-Laser 40 den Wellenerzeugungs-Laserstrahl 42 zur Oberfläche 44 der festen Ablagerung 28, die der feste Abschnitt der teilweise gebildeten festen aufgetragenen Schicht 10 ist. Folglich sind die oben offenbarten Prinzipien auf eine feste Ablagerung 28 einer teilweise gebildeten festen aufgetragenen Schicht 10 anwendbar. Der Laser-Ultraschallprozess kann an der festen Ablagerung 28 einer sich bildenden festen aufgetragenen Schicht 10 ausgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Vor-Ort-Eigenspannungs-Abbauprozesse an der festen Ablagerung 28 oder an irgendeinem anderen Teil des Stapels 24 ausgeführt werden können. Deshalb können der Laser-Erwärmungsprozess, der Laser-Ultraschallprozess und der Eigenspannungs-Verringerungsprozess an einer festen aufgetragenen Schicht 10, an einer festen Ablagerung 28 einer sich bildenden festen aufgetragenen Schicht 10 und/oder an mehreren, diskreten festen Ablagerungen 28 einer festen aufgetragenen Schicht 10 in irgendeiner Reihenfolge und so oft wie es notwendig ist ausgeführt werden, um den generativen Fertigungsprozess anzupassen, um die Eigenspannung auszugleichen.
  • Nachdem der Spannungsabbauprozess ausgeführt worden ist, kann ein weiterer Laser-Ultraschalldetektionsprozess optional ausgeführt werden, um die Wirksamkeit des Spannungsabbauprozesses zu beurteilen. Falls sie zufriedenstellend ist, kann die folgende feste aufgetragene Schicht 80 gebildet werden, entweder unter Verwendung derselben oder anderer Parameter, wie sie bei den anderen festen aufgetragenen Schichten 10, 12 verwendet worden sind. Falls sie nicht zufriedenstellend ist, kann ein weiterer Spannungsabbauprozess ausgeführt werden. Dieser Prozess kann so oft wiederholt werden, wie es notwendig ist, um das gewünschte Eigenspannungsniveau zu erreichen, wobei er irgendeine Kombination an Spannungsabbauprozessen und Änderungen an der folgenden festen aufgetragenen Schicht 80 enthalten kann, wie sie notwendig sind.
  • 6 ist ein Ablaufplan, der eine beispielhafte Ausführungsform eines generativen Fertigungsprozesses unter Verwendung eines Laser-Ultraschalldetektionsprozesses darstellt. Im Schritt 100 wird die feste aufgetragene Schicht 10 gebildet. Im Schritt 102 wird der Laser-Ultraschalldetektionsprozess ausgeführt. Im Schritt 104 wird die Eigenspannung von dem Laser-Ultraschalldetektionsprozess gefolgert. Im Schritt 106 wird eine Bestimmung ausgeführt, ob sich die Eigenspannung unter einem Schwellenwert befindet, gleich einem Schwellenwert ist oder einen Schwellenwert übersteigt. Wenn die Eigenspannung den Schwellenwert nicht übersteigt (z. B. der Stapel 22 den Test besteht), dann wird im Schritt 108 eine Bestimmung bezüglich dessen ausgeführt, wie viele weitere feste aufgetragene Schichten 10 gebildet werden können, bevor ein weiterer Laser-Ultraschalldetektionsprozess abermals ausgeführt wird. Im Schritt 110 wird die bestimmte Anzahl von festen aufgetragenen Schichten 10 gebildet, wobei der Prozess danach zum Schritt 102 zurückkehrt.
  • Wenn die Eigenspannung den Schwellenwert übersteigt (z. B. der Stapel 22 den Test nicht besteht), dann wird entweder der Schritt 112 oder der Schritt 114 ausgeführt. Im Schritt 112 kann die folgende feste aufgetragene Schicht 80 unter Verwendung anderer Parameter für den Laser-Erwärmungsprozess gebildet werden. Im Schritt 114 wird an dem Stapel 22 ein Eigenspannungs-Verringerungsprozess ausgeführt. Dem Schritt 114 kann entweder der Schritt 112 oder der Schritt 116 folgen. Im Schritt 116 kann die folgende feste aufgetragene Schicht 80 unter Verwendung derselben Parameter gebildet werden, die verwendet worden sind, wenn eine der vorher gebildeten festen aufgetragenen Schichten 12 gebildet worden ist. Den Schritten 112 und 116 kann der Schritt 102 folgen.
  • Aus dem Vorhergehenden lässt sich sehen, dass die Erfinder eine neue Technik auf einen generativen Fertigungsprozess angewendet haben, um ein zerstörungsfreies Online-Testen vor Ort einer Komponente bezüglich physikalischer Defekte und Eigenspannung zu erlauben. Der Prozess ermöglicht die Korrektur bestimmter Bedingungen, wobei dadurch Kosten eingespart werden und die verkürzte Lebensdauer, die Teilen zugeordnet ist, die den durch diesen Prozess ermöglichten Standards nicht entsprechen würden, eingespart wird. Folglich repräsentiert dies eine Verbesserung in der Technik.
  • Während hier verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, ist es offensichtlich, dass derartige Ausführungsformen lediglich beispielhaft bereitgestellt sind. Es können zahlreiche Variationen, Änderungen und Ersetzungen ausgeführt werden, ohne von der Erfindung hier abzuweichen. Entsprechend ist vorgesehen, dass die Erfindung nur durch den Erfindungsgedanken und Schutzumfang der beigefügten Ansprüche eingeschränkt ist.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • Daniel Levesque u. a., Defect Detection and Residual Stress Measurement in Friction Stir Welds using Laser Ultrasonics, 1st International Symposium an Laser Ultrasonics: Science, Technology and Applications, 16.–18. Juli 2008, Montreal, Kanada [0014]
    • Laser-Ultraschalldetektion von Eigenspannung ist z. B. durch Karabutov, Alexander, u. a., Laser Ultrasonic Diagnostics of Residual Stress, Ultrasonics, 48, 631–635, (2008) [0014]

Claims (10)

  1. Generativer Fertigungsprozess, der Folgendes umfasst: selektives Erwärmen einer Schicht eines Pulvers (18), um eine feste aufgetragene Schicht (10) zu bilden, die eine feste Ablagerung (28) umfasst, wobei die feste aufgetragene Schicht einen Teil (24) einer Komponente bildet, über einen selektiven Laser-Erwärmungsprozess; Ausbreiten von Ultraschallenergiewellen (50, 60) durch die feste Ablagerung vor der Fertigstellung der Komponente unter Verwendung eines Wellenerzeugungs-Lasers (40), der entfernt von einer Oberfläche (44) der festen Ablagerung angeordnet ist, um einen Wellenerzeugungs-Laserstrahl (42) auf die Oberfläche zu lenken; Detektieren der ausgebreiteten Ultraschallenergiewellen (62); Beurteilen der ausgebreiteten Ultraschallwellen bezüglich der Informationen über eine physikalische Eigenschaft der festen Ablagerung; und Bilden einer weiteren festen aufgetragenen Schicht (80) in einer Weise in Reaktion auf die Informationen.
  2. Generativer Fertigungsprozess nach Anspruch 1, der ferner Folgendes umfasst: Bilden wenigstens einer darunterliegenden festen aufgetragenen Schicht (54); Auftragen der Pulverschicht auf der wenigstens einen darunterliegenden festen aufgetragenen Schicht, wenn die Pulverschicht aufgetragen wird, wobei die wenigstens eine darunterliegende feste aufgetragene Schicht einen vorher gebildeten Teil der Komponente bildet; und Bestimmen der physikalischen Eigenschaft in dem vorher gebildeten Teil der Komponente.
  3. Generativer Fertigungsprozess nach Anspruch 1, wobei ein einziger Laser den selektiven Laser-Erwärmungsprozess ausführt und den Wellenerzeugungs-Laserstrahl erzeugt.
  4. Generativer Fertigungsprozess nach Anspruch 1, wobei die physikalische Eigenschaft die Eigenspannung umfasst.
  5. Generativer Fertigungsprozess nach Anspruch 4, der ferner das Ausführen einer Eigenspannung-Abbauprozedur an der festen Ablagerung umfasst, wobei die Eigenspannung-Abbauprozedur ein Laser-Kugelstrahlen und/oder eine induktive Wärmebehandlung und/oder eine Laser-Wiedererwärmung der festen aufgetragenen Schicht umfasst.
  6. Generativer Fertigungsprozess nach Anspruch 4, der Folgendes umfasst: Verwenden von Prozessparametern, wenn die Pulverschicht selektiv erwärmt wird, um die feste aufgetragene Schicht zu bilden; Auftragen einer zusätzlichen Pulverschicht auf der festen aufgetragenen Schicht nach dem Bestimmen der Eigenspannung; und selektives Erwärmen der zusätzlichen Pulverschicht, um eine zusätzliche feste aufgetragene Schicht zu bilden, unter Verwendung anderer Prozessparameter, die in Reaktion auf die Eigenspannung gewählt werden.
  7. Generativer Fertigungsprozess nach Anspruch 4, der ferner Folgendes umfasst: Ausbreiten der Ultraschallenergiewellen durch eine sich abkühlende feste Ablagerung und Verwenden der Eigenspannung und der parametrischen Daten, die ihr zugeordnet sind, um die Eigenspannung in der festen Ablagerung nach dem weiteren Abkühlen vorherzusagen.
  8. Generativer Fertigungsprozess, der Folgendes umfasst: Bilden einer Komponente, die mehrere feste aufgetragene Schichten umfasst, wobei jede feste aufgetragene Schicht über einen selektiven Laser-Erwärmungsprozess gebildet wird und eine feste Ablagerung umfasst; Ausführen eines Ultraschall-Eigenspannungsdetektionsprozesses an wenigstens einer festen Ablagerung zwischen den selektiven Laser-Erwärmungsprozessen unter Verwendung eines Wellenerzeugungs-Lasers, der entfernt von einer Oberfläche einer zuletzt gebildeten oder sich bildenden festen Ablagerung angeordnet ist, um einen Wellenerzeugungs-Laserstrahl auf die Oberfläche zu lenken, um Ultraschallenergiewellen darin auszubreiten; Überwachen der während des Ultraschall-Eigenspannungsdetektionsprozesses detektierten Eigenspannung; und Einstellen des generativen Fertigungsprozesses, falls die Eigenspannung einen Schwellenwert übersteigt.
  9. Generativer Herstellungsprozess nach Anspruch 8, wobei das Einstellen des generativen Fertigungsprozesses das Ändern der Parameter, die dem selektiven Laser-Erwärmungsprozess zugeordnet sind, während der Bildung der festen aufgetragenen Schicht in Reaktion auf die Eigenspannung umfasst.
  10. Generativer Herstellungsprozess nach Anspruch 8, wobei das Einstellen des generativen Fertigungsprozesses das Ausführen eines Spannungsabbauprozesses in Reaktion auf die Eigenspannung umfasst, und wobei der Spannungsabbauprozess ein Laser-Kugelstrahlen, eine Laser-Wiedererwärmung und eine induktive Wärmebehandlung umfasst.
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