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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung, bzw. ein Verfahren zur Qualitätssicherung, sowie eine Vorrichtung zur additiven Herstellung bzw. zur Qualitätssicherung eines Werkstücks oder Bauteils während der additiven Herstellung.
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Bekannte additive bzw. generative Herstellungsverfahren sind insbesondere das selektive Laserschmelzen (SLM: englisch für „selective laser melting“), selektive Lasersintern (SLS: englisch für „selective laser sintering“) und das Elektronenstrahlschmelzen (EBM: englisch für „electron beam melting“). Bei den genannten Verfahren wird das Bauteil in der Regel lagen- oder schichtweise in einem Pulverbett durch Aufschmelzen von das Pulverbett bildenden Partikeln mit einem Laser- oder Elektronenstrahl belichtet, aufgeschmolzen und entsprechend aufgebaut. Typische Schichtdicken liegen zwischen 20 µm und 60 µm. Weitere additive Herstellungsverfahren funktionieren statt eines pulverförmigen Ausgangsstoff mit einem flüssigen Ausgangsstoff, beispielsweise einem Photopolymer, welcher ebenfalls durch eine Belichtung verfestigt werden kann.
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Laserbasierte Pulverbett-Verfahren, wie beispielsweise SLM, sind anfällig für Prozessunregelmäßigkeiten, welche zu Material- oder Strukturfehlern im Material des Bauteils führen können, wie beispielsweise Hohl- oder Fehlstellen, Poren, Rissen oder Ablösungen. Solche Fehler können weiterhin durch thermomechanische Spannungen im Werkstück verursacht und/oder noch verstärkt werden. Dies gilt insbesondere bei der additiven Herstellung von Turbinenteilen, wobei hinsichtlich des Einsatzes und der Stabilität der Bauteile hohe Anforderungen an die Material- oder Strukturqualität gestellt werden.
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Obwohl die genannten Fehler oder Ungänzen im Werkstück oft Abmessungen von unter 0,1 mm haben und somit unterhalb der Registrierungsgrenzen konventionell eingesetzter Prüfverfahren oder Qualitätssicherungsverfahren liegen, können solche Fehler gegebenenfalls zum Ausschuss und bei fehlender oder später Erkennung während des Herstellungsprozesses zu unnötiger Bauzeit und schlimmstenfalls zu Bauabbrüchen mit der Gefahr der Schädigung der entsprechenden Herstellungsanlage oder Vorrichtung führen.
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Konventionelle in-situ anwendbare Qualitätssicherungsverfahren bieten nicht die entsprechende Zuverlässigkeit, um beispielsweise für den Ausschuss eines Bauteils relevante Strukturfehler zu erkennen oder zu befinden, sodass oft der Herstellung nachgelagerte zusätzliche Prüfverfahren angewendet werden müssen.
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Derzeit verfügbare Systeme zur Qualitätssicherung oder Prozesskontrolle in der additiven Fertigung basieren hauptsächlich auf der optischen Überwachung beispielsweise des Pulverbettes oder der belichteten bzw. verfestigten Schicht mittels Fotografie. Ein optisches Prüfverfahren ist beispielsweise beschrieben in
DE 10 2014 202 020 A1 .
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Weiterhin ist ein Wirbelstromprüfverfahren beispielsweise aus
EP 2 823 917 A2 bekannt.
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Die genannten Verfahren haben jedoch zusätzlich zu einer verhältnismäßig schlechten Auflösung oder unzureichenden Genauigkeit zur Fehlererkennung den Nachteil, dass die Verfahren von dem eigentlichen Herstellungsverfahren losgelöst sind, bzw. nicht regelungstechnisch in die Herstellung eingreifen können und/oder keine Rückkopplung dieser Prüfverfahren zum parallelen Herstellungsprozess möglich ist. Anschließend an die Prüfverfahren ist deshalb z.B. häufig ein aufwendiges computertomographisches Verfahren (zusätzlich) notwendig, um innere Defekte im Bauteil mit der erforderlichen Genauigkeit oder Auflösung zu erfassen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, mit denen die genannten Probleme gelöst und eine Qualitätssicherung, Materialprüfung und/oder additive oder schichtweise Herstellung der Werkstücke verbessert werden kann. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung mit Vorteil die Vermeidung von unnötigen Maschinenlaufzeiten und damit verbunden eine Erhöhung des Fertigungsdurchsatzes, da ein frühzeitiges Erkennen von Prozessunregelmäßigkeiten oder Strukturfehlern in der Herstellung ermöglicht wird. Dadurch können überdies Kosten in der additiven Herstellung wesentlich gesenkt werden. Weiterhin kann eine fehlerhafte Herstellung von Bauteilen verhindert oder eingeschränkt bzw. die Struktur oder Qualität der Bauteile durch eine herstellungsintegrierte Qualitätskontrolle verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung bzw. zur Qualitätssicherung umfassend das additive, generative oder schichtweise Aufbauen eines Bauteils, vorzugsweise mittels eines pulverbettbasierten Verfahrens, wie selektivem Laserschmelzen.
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Das Verfahren umfasst das Prüfen einer Materialqualität des Bauteils mittels einer ersten Materialprüfung bzw. Qualitätssicherung.
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Das Verfahren umfasst das Erfassen, vorzugsweise das digitale Erfassen, von ersten Messdaten der ersten Materialprüfung des Bauteils während des additiven Aufbaus, das heißt vorzugsweise in situ.
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In einer Ausgestaltung ist die erste Materialprüfung eine optische Materialprüfung, eine thermographische Materialprüfung und/oder eine Wirbelstrom-Materialprüfung.
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Der Ausdruck „während des additiven Aufbaus“ beschreibt vorzugsweise einen Vorgang, welcher vorzugsweisenach dem Aufbau jeder Schicht, insbesondere nach einer Verfestigung eines Ausgangsmaterials für das Bauteil, beispielsweise durch eine Laserbelichtung, oder nach dem Auftragen einer weiteren Schicht des Ausgangsmaterials.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren weiterhin das Prüfen einer Materialqualität des Bauteils mittels einer zweiten, von der ersten Materialprüfung verschiedenen, Materialprüfung. Insbesondere kann durch die zweite Materialprüfung ein Ergebnis der ersten Materialprüfung vorteilhafterweise bestätigt korrigiert und/oder kalibriert werden.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Erfassen, vorzugsweise das digitale Erfassen, von zweiten Messdaten der zweiten Materialprüfung des Bauteils, vorzugsweise nach dem additiven Aufbau, insbesondere nachdem das Bauteil, vorzugsweise durch ein pulverbett-basiertes Herstellungsverfahren additiv hergestellt wurde.
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In einer Ausgestaltung ist die zweite Materialprüfung eine computertomographisches Materialprüfung, eine Wirbelstrom-Materialprüfung und/oder eine mechanische Materialprüfung.
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In einer Ausgestaltung erfolgt die zweite Materialprüfung nach dem additiven Aufbau des Bauteils. Diese Ausgestaltung ist insbesondere zweckmäßig, da die zweite Materialprüfung vorteilhafterweise umfassender und/oder aufwendiger ist als die erste Materialprüfung.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Klassifizieren eines Ergebnisses der ersten und/oder zweiten Materialprüfung anhand der ersten Messdaten und der zweiten Messdaten.
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In einer Ausgestaltung werden – bei dem Klassifizieren des Ergebnisses – die die ersten und zweiten Messdaten bzw. die Messdaten aus der ersten und zweiten Materialprüfung miteinander verglichen und Abweichungen und/oder Übereinstimmungen gespeichert. Dabei kann das Ergebnis insbesondere auf eine Plausibilität hin untersucht und abhängig von der Plausibilität gespeichert werden. Vorzugsweise werden sowohl die Abweichungen, beispielsweise der ersten Messdaten von den zweiten Messdaten (oder umgekehrt) und die Übereinstimmungen der ersten Messdaten und den zweiten Messdaten gespeichert.
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In einer Ausgestaltung werden – bei dem Klassifizieren des Ergebnisses – Algorithmen des überwachten maschinellen Lernens angewendet. Die genannten Algorithmen können insbesondere eine maschinelle Lernphase des Verfahrens charakterisieren.
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In einer Ausgestaltung erfolgt das Klassifizieren des Ergebnisses durch einen Anwender des Verfahrens, beispielsweise mittels manuell durchgeführter Verfahrensschritte.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Wiederholen zumindest der oben beschriebenen Verfahrensschritte des additiven Aufbaus, und des Erfassen der ersten Messdaten der ersten Materialprüfung für einen weiteren additiven Aufbau, beispielsweise denjenigen eines weiteren oder anderen Bauteils, wobei die wiederholt erfassten ersten Messdaten, insbesondere zur Entscheidung über den weiteren Verlauf des Verfahrens, mit dem Ergebnis verglichen oder gegenübergestellt werden.
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Bei dem weiteren Bauteil kann es sich um ein komplett verschiedenes Bauteil, beispielsweise mit einer im Vergleich zu dem oben beschriebenen Bauteil verschiedenen Geometrie, handeln. Zweckmäßigerweise wird das weitere Bauteil jedoch in der gleichen Vorrichtung und mit dem beschriebenen additiven Verfahren hergestellt.
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Mit Vorteil können durch das beschriebene Verfahren – insbesondere durch das Klassifizieren des Ergebnisses und das Vergleichen der wiederholt erhobenen oder erfassten ersten Messdaten mit dem Ergebnis – Erfahrungswerte, Befunde oder Informationen, welche auf die beschriebene Art und Weise für jedes (additiv) hergestellte Bauteil gewonnen werden, für den additiven Aufbau eines jeden weiteren Bauteils vorzugsweise automatisch genutzt werden. Das vorzugsweise maschinell oder computergestützt erlernte „Wissen“ kann – mit anderen Worten – automatisch angewendet werden.
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Die genannten Erfahrungswerte oder Informationen beziehen sich vorzugsweise auf die weiter oben beschriebenen Prozessunregelmäßigkeiten und/oder Struktur- oder Materialfehler des Bauteils. Es können sowohl positive als auch negative Befunde als Erfahrungswerte oder Informationen für den Aufbau des weiteren Bauteils herangezogen werden.
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In einer Ausgestaltung werden – abhängig von dem Ver- oder Abgleichen der wiederholt erfassten ersten Messdaten mit dem Ergebnis – die ersten Messdaten, die zweiten Messdaten und/oder das Ergebnis dokumentiert oder gespeichert. Diese dokumentierten oder gespeicherten Informationen können beispielsweise in einem nachgeschalteten Verfahren der Qualitätssicherung gezielt genutzt werden.
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In einer Ausgestaltung wird – abhängig von dem Vergleich der wiederholt erfassten ersten Messdaten mit dem Ergebnis – der additive Aufbau abgebrochen. Mit anderen Worten wird der Prozessabbruch nur im Falle eines befundenen Strukturfehlers durchgeführt. Der genannte Abbruch bezieht sich zweckmäßigerweise auf den wiederholten oder weiteren additiven Aufbau. Zweckmäßig ist ein Abbruch beispielsweise dann, wenn – als Resultat des Vergleichs – die beispielsweise eine unzureichende oder mangelhafte Qualität einer aufgebrachten und/oder verfestigten Pulverschicht oder Schicht von Ausgangsmaterial festgestellt wurde.
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In einer Ausgestaltung werden – abhängig von dem Vergleich der wiederholt erfassten ersten Messdaten mit dem Ergebnis – Parameter des oder für den additiven Aufbau verändert oder angepasst. Durch die beschriebene Anpassung kann mit Vorteil auf ein Strukturfehler, beispielsweise einer aufgebrachten und/oder verfestigten Schicht von Ausgangsmaterial reagiert und diese gegebenenfalls korrigiert werden.
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In einer Ausgestaltung werden – abhängig von dem Vergleich der wiederholt erfassten ersten Messdaten mit dem Ergebnis – Algorithmen des maschinellen Lernens angewendet. Analog zu der oben beschriebenen Ausgestaltung können die Algorithmen entsprechend eine maschinelle Trainingsphase des Verfahrens charakterisieren. Gemäß dieser Ausgestaltung können die Algorithmen des maschinellen Lernens beispielsweise neuronale Netzwerke, Entscheidungsbäume, eine sogenannte Stützvektormethode (englisch: Support Vector Machine) als Objekt- oder Strukturklassifikator und/oder lineare oder nichtlineare Modelle umfassen oder durch diese implementiert sein.
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In einer Ausgestaltung werden die wiederholt erfassten ersten Messdaten gemeinsam mit Verfahrensparametern des additiven Aufbaus, beispielsweise ein Aufbauzeitpunkt erfasst. Dadurch kann mit Vorteil, beispielsweise im Falle eines befundenen oder registrierten Strukturfehlers, dieser Strukturfehler – im Wege der Anpassung von Prozessparametern für den additiven Aufbau wie oben beschrieben korrigiert werden. Insbesondere kann das bis dahin aufgebaute Bauteil auch aus einer entsprechenden Vorrichtung für den additiven Aufbau ausgebaut und der Strukturfehler manuell beseitigt oder korrigiert werden, wobei das Bauteil anschließend wieder in die Vorrichtung eingebaut und die Herstellung oder der Aufbau fortgesetzt werden kann.
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In einer Ausgestaltung werden die ersten Messdaten und/oder die zweiten Messdaten nach dem jeweiligen Erfassen zunächst in eine weiterverarbeitungsfähige oder computerlesbare Form umgewandelt. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn die entsprechenden Messdaten nach dem Erfassen jeweils nur in einem Format vorliegen, welches beispielsweise nicht computerlesbar ist oder welches mit einem Verlust von Daten, oder Metadaten verbunden ist. Wenn die ersten und/oder zweiten Messdaten beispielsweise in einem Format erfasst werden, indem eine Klassifizierung nicht möglich ist, ist die beschriebene Umwandlung daher notwendig.
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In einer Ausgestaltung wird das additive Aufbauen des Bauteils mittels eines pulverbettbasierten Verfahrens, beispielsweise selektivem Laserschmelzen, selektivem Lasersintern oder Elektronenstrahlschmelzen, durchgeführt.
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In einer Ausgestaltung wird – im Rahmen des beschriebenen Wiederholens – für den weiteren additiven Aufbau auch das Erfassen der zweiten Messdaten und das Klassifizieren eines entsprechenden Ergebnisses wie oben beschrieben wiederholt.
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In einer Ausgestaltung wird das beschriebene Verfahren weiterhin für eine Vielzahl von additiv herzustellenden Bauteilen wiederholt bzw. durchgeführt. Gemäß dieser Ausgestaltung können Informationen, welche – wie oben angedeutet, aus einer Vielzahl von additiven Herstellungsvorgängen gesammelt wurden, spezifisch für die additive Herstellung bzw. die Qualitätssicherung jedes weiteren Bauteils genutzt werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung oder Anlage zur additiven Herstellung bzw. zur Qualitätssicherung umfassend eine Aufbaueinrichtung zum additiven Aufbau eines Bauteils und eine erste Prüfeinrichtung, welche ausgelegt ist, Messdaten der ersten Materialprüfung während des additiven Aufbaus des Bauteils zu erfassen. Die beschriebene Aufbaueinrichtung kann eine konventionelle Aufbaueinrichtung, beispielsweise eine Verfestigungseinrichtung umfassend, sein.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Auswerteeinheit, welche ausgelegt ist, zweite Messdaten, vorzugsweise der zweiten Materialprüfung des Bauteils zu erfassen. Weiterhin ist die Vorrichtung und/oder die Auswerteeinheit ausgelegt, das Ergebnis der (ersten und zweiten) Materialprüfung anhand der ersten Messdaten und der zweiten Messdaten zu klassifizieren sowie die insbesondere für den weiteren additiven Aufbau wiederholt erfassten ersten Messdaten mit dem Ergebnis zu vergleichen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches durch das beschriebene Verfahren hergestellt wird oder herstellbar ist.
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Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren beziehen, können sich ebenfalls auf die Vorrichtung und/oder das Bauteil beziehen, und umgekehrt.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zum additiven Aufbau bzw. zur Qualitätssicherung.
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2 zeigt ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zur additiven Herstellung bzw. zur Qualitätssicherung andeutet.
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Anhand der 1 sowie der 2 wird das Verfahren zur additiven Herstellung bzw. zur Qualitätssicherung eines Bauteils im Folgenden beschrieben.
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1 zeigt eine Vorrichtung oder Anlage 100 zur additiven Herstellung eines Bauteils oder Werkstücks 1. Das Bauteil 1 kann ein gemäß einer vorbestimmten oder gewünschten Geometrie hergestellter oder herstellbarer dreidimensionaler Körper sein, welcher gemäß dem schichtweisen Herstellungsverfahren, beispielsweise mittels einem pulverbettbasierten Verfahren, wie SLM (selektives Laserschmelzen), durch eine Vielzahl einzelner Schichten aufgebaut wird.
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Bei dem Bauteil 1 kann es sich um eine Turbinenkomponente, beispielsweise ein Teil, welches im Heißgaspfad einer Gasturbine eingesetzt wird, insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung, handeln.
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In 1 ist das Werkstück 1 vorzugsweise nur teilweise und nicht fertig hergestellt, d.h. während seiner additiven Herstellung gezeigt. Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Zuführung oder Zuführungseinrichtung 6 für ein Ausgangsmaterial 8, insbesondere ein Pulver, für das Bauteil 1. Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Abführung oder Abführungseinrichtung 7 für das Ausgangsmaterial 8.
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Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin Behälter 9. In den Behältern 9 wird das Ausgangsmaterial 8 vorzugsweise für eine schichtweise Herstellung des Bauteils 1 und für die entsprechende Zuführung und Abführung, gehalten.
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Die Vorrichtung 100 umfasst eine Bauplattform 2. die Bauplattform 2 ist über Mittel 5 absenkbar ausgestaltet, beispielsweise absenkbar relativ zu den Behältern 9.
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Die Vorrichtung 100 weist weiterhin eine Verfestigungseinrichtung 3, beispielsweise einen Laser oder eine Elektronenstrahleinrichtung, auf. Für den additiven Aufbau erfolgt ein schichtweises Auftragen von Ausgangsmaterial 8 und ein Verfestigen des (aufgetragenen) Ausgangsmaterials 8 vorzugsweise nacheinander.
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Nach der Herstellung oder dem Aufbau einer einzelnen Schicht für das Bauteil 1, wird die Bauplattform 2 weiterhin vorzugsweise um ein der Schichtdicke entsprechendes Maß abgesenkt und anschließend durch die Verfestigungseinrichtung 3, beispielsweise mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen und verfestigt. Bei gängigen Verfahren zur additiven Herstellung wird ein Pulverbett dabei vorzugsweise punktförmig, linienförmig oder flächig gerastert und/oder gemäß einer vorgegebenen Belichtungsgeometrie belichtet. Entsprechende Daten für die Belichtungsgeometrie werden vorzugsweise direkt einer 3D CAD- oder CAM-Datei entnommen.
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Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Auftragungseinrichtung 4, welche beispielsweise eine Rakel (nicht explizit gekennzeichnet) zum Verteilen und/oder Auftragen von Ausgangsmaterial für das Werkstück 1 umfassen kann. Die Auftragungseinrichtung kann insbesondere ähnlich zu konventionellen Auftragungseinrichtung oder Beschichtungseinrichtungen von additiven Herstellungsverfahren sein.
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Mithilfe der Auftragungseinrichtung 4 wird vorzugsweise Ausgangsmaterial 8 für das Werkstück 1 aus der Zuführung 6 entnommen und in einem Auftragungsvorgang entlang der durch den Pfeil A gekennzeichneten Richtung, d.h. in einer Auftragungsbewegung schichtweise für jede einzelne Schicht des Bauteils 1 in einen Herstellungsraum auf dem Bauplattform 2 verteilt. Überschüssiges Ausgangsmaterial 8 wird von der Auftragungseinrichtung 4 vorzugsweise in die Abführung 7 verschoben.
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Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Prüfeinrichtung 10. Die Prüfeinrichtung 10 ist vorzugsweise ausgelegt, eine erste Materialprüfung durchzuführen und Messdaten der ersten Materialprüfung während des additiven Aufbaus des Bauteils 1 zu erfassen (vergleiche Schritt b in 2). Die erste Materialprüfung erfolgt vorzugsweise nach dem Verfestigen und/oder direkt nach dem Auftragen.
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Die Prüfeinrichtung 10 ist vorzugsweise eine Prüfeinrichtung zur zerstörungsfreien Qualitätssicherung, Materialprüfung und/oder Werkstoffprüfung. Vorzugsweise werden Materialeigenschaften bzw. Struktureigenschaften des Ausgangsmaterials und oder des Werkstücks 1, d.h. des Ausgangsmaterials nach einer Verfestigung, geprüft. Die genannten Eigenschaften bezeichnen oder umfassen vorzugsweise Strukturfehler, Strukturdefekte, Risse, Ablösungen oder Delaminierungen einer Schicht des Werkstücks 1, Versetzungen, Hohlräume, Poren, Anbindungsfehler oder weitere Defekte des Ausgangsmaterials und/oder des Werkstücks 1. Wenn von Eigenschaften des pulverförmigen Ausgangsmaterials die Rede ist, können insbesondere Hohlräume oder Unregelmäßigkeiten gemeint sein. Diese entwickeln sich im Rahmen einer schichtweisen Herstellung häufig zu schwerwiegenden Strukturfehlern, die nach einem Belichtungsschritt häufig durch konventionelle Verfahren der Qualitätssicherung unerkannt bleiben.
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Die erste Materialprüfung ist vorzugsweise eine optische Materialprüfung, eine thermographische Materialprüfung und/oder eine Wirbelstrom-Materialprüfung.
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Im Falle eines optischen Prüfverfahrens kann die Prüfeinrichtung 10 vorzugsweise mit einem Scanner, insbesondere einem Zeilen- oder Flachbettscanner, ausgerüstet oder durch diesen gebildet sein.
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Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Auswerteeinheit 11. Die Auswerteeinheit 11 ist vorzugsweise ausgelegt, zweite Messdaten, d.h. vorzugsweise Messdaten einer zweiten (von der ersten Materialprüfung verschiedenen) Materialprüfung des Bauteils zu erfassen. Weiterhin ist die Auswerteeinheit 11 vorzugsweise ausgelegt, ein Ergebnis einer Materialprüfung anhand der ersten Messdaten und der zweiten Messdaten zu klassifizieren und die ersten Messdaten beispielsweise mit dem Ergebnis zu vergleichen (vergleiche Beschreibung zu 2 weiter unten). Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit 11 dazu mit der Prüfeinrichtung 10 verbunden.
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Eine zweite Prüfeinrichtung, zur Durchführung der zweiten Materialprüfung ist in den Figuren nicht explizit dargestellt. Die zweite Materialprüfung bezeichnet vorzugsweise eine dem additiven Aufbau des Bauteils 1 nachgelagerte Materialprüfung, beispielsweise eine computertomographisches Materialprüfung, eine Wirbelstrom-Materialprüfung und/oder eine mechanische Materialprüfung, beispielsweise mittels akustischer Resonanz- oder Schwingungsanalyse, Schallemissionsanalyse, Ultraschallprüfung oder Vibrationsprüfung. Die zweite Materialprüfung kann eine sogenannte (digitale) FPI umfassen. Eine FPI beschreibt ein optisches Verfahren zur Erkennung von Rissen bzw. Fehlstellen an der Oberfläche eines Bauteils. Als Vorbereitung wird das Bauteil normalerweise mit einem Prüfmittel behandelt. Die hierbei identifizierten Befunde können auf einer Formskizze vom einem Anwender oder Benutzer dokumentiert werden. Mit einer digitalen FPI ist insbesondere das Erfassen von Befunden der Materialprüfung in einer digitalen Form möglich.
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Verfahrensschritt a beschreibt das additive, generative oder schichtweise Aufbauen des Bauteils 1 (siehe oben).
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Verfahrensschritt b beschreibt das Erfassen von ersten Messdaten einer zweiten Materialprüfung (wie oben beschrieben) während des additiven Aufbaus a. Die ersten Messdaten sind vorzugsweise Rohdaten der ersten Materialprüfung.
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Vorzugsweise werden die ersten Messdaten gemeinsam mit einer Information über den Verfahrensstand des additiven Aufbaus bzw. des entsprechenden Herstellungsprozesses erfasst. Eine solche Information kann beispielsweise eine Aufbauzeit sowie eine Position eines Laserstrahls der Verfestigungseinrichtung 3, beispielsweise relativ zum Bauteil, sein, sowie eine Identifikation des aktuellen Schnitts einer CAM-Datei oder eines Konstruktionsmodells der Herstellung. Alternativ oder zusätzlich kann die genannte Information ein anderer Prozessparameter sein. Weiterhin kann dazu ein „Index“ für den Schichtaufbau des Bauteils registriert werden. Jeder additiv hergestellten Schicht kann eine eindeutige Nummer zugewiesen werden. Die erste erzeugte Schicht erhält vorzugsweise den Index 1, die zweite Schicht Index 2, usw. bis zur letzten, beispielsweise n-ten Schicht mit Index n.
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Anschließend an den Verfahrensschritt b kann das Verfahren eine Vorverarbeitung oder Umwandlung, beispielsweise in eine computerlesbare oder weiterverarbeitungsfähige Form umfassen, was mit dem Bezugszeichen b‘ angedeutet ist. Dieser Schritt ist notwendig, da hierbei notwendige Normierungen durchgeführt werden, damit die Messdaten aus der ersten und zweiten Materialprüfung miteinander maschinell auswertbar gemacht werden. Eine weiterverarbeitungsfähige Form kann beispielsweise gegeben sein bei den Datenformaten „AMF“, „3MF“ oder ein noch zu definierendes Format sein, welche einem Fachmann auf dem Gebiet der additiven Herstellung bekannt sind. Insbesondere umfassen die genannten Formate auch Metadaten, beispielsweise bezogen auf den Herstellungsprozess.
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Verfahrensschritt c beschreibt das Erfassen von zweiten Messdaten der zweiten Materialprüfung (siehe oben). Analog zu den ersten Messdaten, handelt es sich bei den zweiten Messdaten vorzugsweise um Rohdaten, welche anschließend noch verarbeitet oder umgewandelt werden müssen, beispielsweise in eine computerlesbare oder weiterverarbeitungsfähige Form (vergleiche Verfahrensschritt c‘).
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Bei den ersten Messdaten und bei den zweiten Messdaten handelt es sich vorzugsweise um Bilddaten. Alternativ oder zusätzlich kann es sich um andere Datentypen handeln.
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Verfahrensschritt d beschreibt das Klassifizieren eines Ergebnisses der Materialprüfung anhand der erfassten ersten Messdaten und der zweiten Messdaten. Im Wege des Klassifizierens des Ergebnisses werden weiterhin vorzugsweise Abweichungen und/oder Übereinstimmungen der ersten und zweiten Messdaten gespeichert oder markiert werden. Dazu kann insbesondere ein Algorithmus des maschinellen Lernens angewendet werden. Die ersten Messdaten können beispielsweise durch geeignete und dem Fachmann bekannte Verfahren anhand der zweiten Messdaten kalibriert, korrigiert oder validiert werden. Die genannten Verfahren können beispielsweise Verfahren zur optischen Bilderkennung, zum maschinellen Sehen, zur automatischen optische Inspektion, zur Lage- oder Objekterkennung und zur Defekt- oder Mustererkennung sein und beispielsweise einen Pixel- oder Kontrastvergleich der ersten Messdaten und der zweiten Messdaten umfassen.
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Verfahrensschritt e beschreibt das Wiederholen der bereits beschriebenen Verfahrensschritte für einen weiteren additiven Aufbau, beispielsweise eines weiteren, vorzugsweise komplett neuen Bauteils, wobei die wiederholt erfassten ersten Messdaten mit dem beschriebenen Ergebnis verglichen oder gegenübergestellt werden. Bei dem Vergleich können beispielsweise die ersten Messdaten, die zweiten Messdaten und/oder das Ergebnis dokumentiert oder gespeichert werden, insbesondere für eine weitere gezielte Qualitätskontrolle. Alternativ oder zusätzlich kann – im Rahmen des Vergleichs – der additive Aufbau oder die additive Herstellung abgebrochen werden, beispielsweise wenn ein besonders schwerwiegender Strukturfehler in einer aufgetragenen und/oder verfestigten Schicht des Ausgangsmaterials 8 festgestellt wurde.
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Bei einem korrigierbaren, weniger gravierenden Strukturfehler kann im Rahmen des Vergleichs weiterhin eine Anpassung von Parametern des additiven Aufbaus durchgeführt werden, um in dem anschließenden additiven Aufbau diesen Strukturfehler wieder auszugleichen. Auch im Zusammenhang mit dem Vergleich können vorzugsweise Algorithmen des maschinellen Lernens – wie oben beschrieben – angewendet werden. Der Vergleich kann insbesondere unter Zuhilfenahme von Open Source Software erfolgen. Bei dem Abgleich kann es sich auch um ein Auswerten der ersten Messdaten, der zweite Messdaten und/oder der bisher durch das Verfahren gesammelten Informationen handeln.
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Die genannten Parameter können insbesondere ein Strahlprofil des Lasers oder Elektronenstrahls der Verfestigungseinrichtung, eine Pulverförderungsrate, die Größe oder Fläche eines belichteten Bereichs, eine Verfestigungsgeschwindigkeit, Parameter der Laserfokussierung, die Laserleistung, eine Flussrate eines Inertgases für den Aufbau, eine Schicht- oder Lagendicke der nacheinander herzustellenden Schichten des Bauteils und/oder Parameter einer Belichtungstrajektorie sein.
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Vorzugsweise werden die beschriebenen Verfahrensschritte für eine Vielzahl von mit der jeweiligen Vorrichtung 100 herzustellenden Bauteile wiederholt und/oder iterativ durchgeführt (vergleiche Pfeil in 2), sodass, wie oben beschrieben, möglichst viele Lern- oder Trainingsschritte des beschriebenen Verfahrens durchgeführt werden und dementsprechend das additive Herstellungsverfahren progressiv optimiert werden kann, wobei Strukturfehler in dem Ausgangsmaterial 8 und/oder dem Bauteil 1 beispielsweise durch die ersten erfassten Messdaten identifiziert und die additive Herstellung insgesamt deutlich verbessert werden kann.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014202020 A1 [0006]
- DE 102014212246 B3 [0007]
- EP 2823917 A2 [0008]
