DE102016201290A1

DE102016201290A1 - Verfahren zur Qualitätssicherung und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102016201290A1
Application number: DE102016201290.8A
Authority: DE
Inventors: Christoph Haberland; Matthias Jungbluth; Andreas Kreutzer; Heiko Lammers; Thomas Lorenz; Martin Regener; Kathrin Sperlich; Danny Tomuschat; Sebastian Piegert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätssicherung eines schichtweise herzustellenden Werkstücks (1), umfassend das schichtweise Auftragen eines Ausgangsmaterials (8) für das Werkstück (1) auf einer Oberfläche (OF) mit einer Auftragungseinrichtung (4), das Verfestigen des Ausgangsmaterials (8) und das Prüfen von Eigenschaften des Ausgangsmaterials (8) und/oder des verfestigten Ausgangsmaterials (1) mit einer Prüfeinrichtung (10) während einer Bewegung der Auftragungseinrichtung (4), wobei die Prüfeinrichtung (10) von der Auftragungseinrichtung (4) mitgeführt wird. Weiterhin ist eine Vorrichtung (100) zur Qualitätssicherung des Werkstücks (1) beschrieben, umfassend die Auftragungseinrichtung (4) zum schichtweisen Auftragen des Ausgangsmaterials (8) für das Werkstück (1) und die Prüfeinrichtung (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätssicherung eines Werkstücks, vorzugsweise bestimmt für die additive oder schichtweise Herstellung des Werkstücks sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Qualitätssicherung.
Bei dem Werkstück oder Bauteil kann es sich um eine Turbinenkomponente, beispielsweise um ein heißgasbeaufschlagtes oder hochtemperaturbelastetes Teil einer Gasturbine, wie ein Werkstück aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung handeln.
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.
Laserbasierte Strahlschmelzverfahren, wie beispielsweise SLM sind anfällig für Prozessunregelmäßigkeiten, welche leicht zu Material- oder Strukturfehlern führen können, wie beispielsweise Hohl- oder Fehlstellen, Poren, Rissen oder Ablösungen. Solche Fehler treten insbesondere durch thermo-mechanische Spannungen im Werkstück auf. Obwohl diese 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.
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. Solche Verfahren weisen jedoch hinsichtlich der Oberflächenauflösung Nachteile auf, sodass die Ergebnisse der Prüfung häufig nicht zufriedenstellend sind.
Ein optisches Prüfverfahren ist beispielsweise beschrieben in DE 10 2014 202 020 A1 .
Weiterhin sind thermographische Verfahren bekannt, welche beispielsweise Sensoriken umfassen, die beispielsweise an einer Baukammerdecke und in erheblichem Abstand über einer Bearbeitungsebene, beispielsweise dem Pulverbett, angeordnet sind. Im Rahmen dieser Verfahren wird häufig die Schmelzenergie zur Anregung benutzt, d.h. der Prüfprozess im Wesentlichen zeitgleich mit dem Schmelz- oder Belichtungsprozess durchgeführt. Dies kann insbesondere zu verfälschten Ergebnissen oder Artefakten führen, da die thermographische Messung oder Aufnahme von dem Belichtungsprozess beeinflusst werden kann.
Ein thermographisches Prüfverfahren ist beispielsweise beschrieben in DE 10 2014 212 246 B3 .
Weiterhin sind bereits Wirbelstromprüfverfahren bekannt. Ein Wirbelstromprüfverfahren ist beispielsweise beschrieben in EP 2 823 917 A2 .
Die genannten Verfahren haben jedoch zusätzlich zu einer verhältnismäßig schlechten Auflösung den Nachteil, dass keine Echtzeit-Information oder Rückkopplung dieser Prüfverfahren zum parallelen Herstellungsprozess möglich ist. Anschließend an die beschriebenen Verfahren ist deshalb z.B. häufig ein aufwendiges computertomographisches Verfahren (zusätzlich) notwendig, um innere Defekte im Bauteil mit der erforderlichen Genauigkeit oder Auflösung zu erfassen.
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 verbundene Erhöhung des Fertigungsdurchsatzes, die Vermeidung einer fehlerhaften Herstellung von Bauteilen und damit einhergehende Beschädigungen der Herstellungsanlage sowie die, insbesondere strukturelle Verbesserung der gefertigten Werkstücke oder deren Eigenschaften durch eine Herstellungsintegrierte Qualitätskontrolle.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur, insbesondere zerstörungsfreien Qualitätssicherung eines schichtweise, vorzugsweise aus einem Pulverbett heraus, aufzubauenden oder herzustellenden Werkstücks oder Bauteils.
Das Verfahren umfasst das schichtweise Auftragen eines Ausgangsmaterials, vorzugsweise ein pulverförmiger Ausgangsstoff, für das Werkstück auf einer Oberfläche mit einer Auftragungseinrichtung.
Bei der Oberfläche handelt es sich zweckmäßigerweise um eine Oberfläche eines Bauteilsubstrats oder einer Bauplattform oder um die Oberfläche einer zuvor bereits belichteten oder verfestigten Schicht des Werkstücks.
Die Auftragungseinrichtung bezeichnet vorzugsweise eine eine Rakel umfassende Einrichtung zum schichtweisen oder additiven Auftragen von Pulver auf der Oberfläche.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Verfestigen oder Belichten einer zuvor aufgetragenen oder aufgebrachten Schicht des Ausgangsmaterials, beispielsweise mit einem Laser- oder Elektronenstrahl. Insbesondere kann das Verfestigen ein Aufschmelzen und anschließendes Erstarren des Ausgangsmaterials umfassen. Das Verfestigen kann insbesondere ein Umschmelzen und/oder Aushärten des Beschichtungsmaterials oder Ausgangsmaterials, beispielsweise mit einem Laserstrahl umfassen, welcher punktförmig, linienförmig oder flächig über die entsprechende Schicht des Ausgangsmaterials geführt wird.
Vorzugsweise werden die Verfahrensschritte des Auftragens, des Verfestigens und des Prüfens der Eigenschaften für eine Herstellung des Werkstücks vielfach wiederholt.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Prüfen der Eigenschaften des Ausgangsmaterials nach jeder aufgetragenen Schicht des Ausgangsmaterials.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Prüfen von Eigenschaften des Ausgangsmaterials und/oder des verfestigten Ausgangsmaterials mit einer Prüfeinrichtung während einer Bewegung der Auftragungseinrichtung. Das verfestigte Ausgangsmaterial bezeichnet vorzugsweise das Material des teilweise oder vollständig hergestellten oder aufgebauten Werkstücks. Bei den Eigenschaften handelt es sich vorzugsweise um Material oder Struktureigenschaften des herzustellenden Werkstücks. Insbesondere können Eigenschaften eine Fehlstellen- oder Strukturfehlerdichte des Ausgangsmaterials und/oder des verfestigten Ausgangsmaterials betreffen. Das Prüfen der Eigenschaften erfolgt vorzugsweise derart, dass die Prüfeinrichtung (während der Bewegung der Auftragungseinrichtung) von der Auftragungseinrichtung mitgeführt wird.
Bei dem Verfahren zur Qualitätssicherung handelt es sich vorzugsweise um ein in einen additiven Herstellungsprozess integriertes Verfahren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung, vorzugsweise eines additiv oder generativ herzustellenden Werkstücks, umfassend die Auftragungseinrichtung. Die Auftragungseinrichtung ist vorzugsweise relativ zu einer Bauplattform, beispielsweise einer Bauplattform einer Anlage zur schichtweisen Herstellung, beweglich. Die Vorrichtung umfasst weiterhin die Prüfeinrichtung zum, vorzugsweise orts- oder hochaufgelösten, Prüfen von Eigenschaften des Ausgangsmaterials und des Werkstücks bzw. des verfestigten Ausgangsmaterials, wobei die Prüfeinrichtung an der Auftragungseinrichtung befestigt ist.
Die beschriebenen Aspekte bieten insbesondere den Vorteil, dass die Materialprüfung unmittelbar und/oder ortsnah an oder direkt über dem Pulverbett erfolgen kann, womit eine wesentlich höhere Auflösung und damit genauere Prüfung der Eigenschaften oder Materialqualität möglich wird. Durch die höhere Auflösung können insbesondere lokale Strukturfehler aufgedeckt werden, welche durch konventionelle Prüfverfahren nicht oder nur schwer nachweisbar sind. Die Prüfeinrichtung befindet sich dazu beispielsweise in einem Abstand über der Oberfläche, welcher wesentlich kleiner ist als bspw. eine Ausdehnung der Oberfläche oder des Pulverbetts. Weiterhin kann durch das mit der Bewegung der Auftragungseinrichtung simultan ablaufende Prüfen der Eigenschaften ein additives Herstellungsverfahren – im Wege dessen das Verfahren zur Qualitätssicherung vorzugsweise angewendet wird – zeiteffizienter gestaltet werden. Dies bietet insbesondere bei der schichtweisen oder additiven Herstellung von mehreren tausend Einzelschichten für ein Werkstück oder Bauteil einen erheblichen Zeitvorteil.
In einer Ausgestaltung ist die Prüfeinrichtung eine thermographische Prüfeinrichtung und umfasst mindestens einen thermischen Sensor und mindestens eine, insbesondere thermische, Anregungseinheit. Vorzugsweise ist die Anregungseinheit in einem fixen oder konstanten Abstand zum thermischen Sensor angeordnet. Durch diese Ausgestaltung wird besonders zweckmäßig ein thermographisches Prüfungs- oder Qualitätssicherungsverfahren ermöglicht, mit welchem die erfindungsgemäße Vorteile sowie jene der thermographischen Materialprüfung genutzt werden können. Insbesondere ist in dieser Ausgestaltung eine Trennung zwischen dem Belichtungsprozess und dem Prüfprozess, beispielsweise im Vergleich zu konventionellen thermographischen Prüfungsverfahren möglich. Alternativ können jeweils eine Mehrzahl von Anregungseinheiten und thermischen Sensoren vorgesehen sein.
In einer Ausgestaltung ist der mindestens eine thermische Sensor an einer Seite der Auftragungseinrichtung angeordnet, welche in Richtung einer Auftragungsbewegung zeigt oder dieser Richtung zugewandt ist. Dementsprechend kann der thermische Sensor oder Thermographie-Sensor besonders zweckmäßig ein Antwortsignal einer zuvor durch die Anregungseinheit emittierten Anregungs-Wärmestrahlung – insbesondere während einer Rückbewegung der Auftragungseinrichtung – messen oder registrieren.
In einer Ausgestaltung ist die mindestens eine Anregungseinheit an einer Seite der Auftragungseinrichtung angeordnet, welche entgegen der Richtung der Auftragungsbewegung zeigt oder dieser Richtung abgewandt ist. Dementsprechend kann eine thermische Anregung, vorzugsweise der zuvor verfestigten Schicht des Ausgangsmaterials, besonders zweckmäßig erfolgen.
In einer Ausgestaltung ist die Prüfeinrichtung eine optische Prüfeinrichtung, beispielsweise mit einem Scanner, wie einem Laserscanner, beispielsweise einem Zeilen- oder Flachbettscanner. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil ein optisches Werkstoffprüfprinzip im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Vorteilen ausgenutzt werden. Der Scanner kann weiterhin einen Linien- oder Streifenlaser umfassen oder durch diesen gebildet sein.
In einer Ausgestaltung ist die Prüfeinrichtung eine Wirbelstromprüfeinrichtung, umfassend einen oder mehrere Wirbelstromprüfköpfe, beispielsweise ein Feld oder „array“ aus Wirbelstromprüfköpfen, wobei eine Anordnung und/oder die Anzahl oder Dichte der Wirbelstromprüfköpfe eine Ortsauflösung der Prüfeinrichtung oder des Verfahrens zur Qualitätssicherung definiert. Gemäß dieser Ausgestaltung können insbesondere für die vorliegende Erfindung die Vorteile der Wirbelstromprüfung ausgenutzt werden. Diese betreffen insbesondere die Möglichkeit der Auflösung eines Höhen- bzw. Tiefenprofils in einer aufgetragenen und/oder verfestigten Materialschicht. Weiterhin erlaubt das beschriebene Messprinzip die Registrierung von Informationen zu den elektrischen Eigenschaften, insbesondere des Werkstücks und/oder des verfestigten Ausgangsmaterials. Auf diesem Wege können beispielsweise zusätzliche Struktur- oder Materialeigenschaften des Ausgangsmaterials und/oder oder des Werkstücks erfasst und eine Qualitätssicherung noch umfassender durchgeführt werden.
In einer Ausgestaltung umfasst jeder der Wirbelstromprüfköpfe einen Wirbelstromsensor und ein Erregerelement, beispielsweise eine Erregerspule. Weiterhin können ein Sensorelement und ein Erregerelement – für die Ausgestaltung eines Wirbelstromprüfkopfes – beabstandet angeordnet sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anlage zur schichtweisen oder additiven Herstellung des Werkstücks oder Bauteils, umfassend die Vorrichtung zur Qualitätssicherung, weiterhin umfassend eine Bauplattform und eine Verfestigungseinrichtung zum Verfestigen des Ausgangsmaterials für die Herstellung des Werkstücks.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Prüfen der Eigenschaften durch berührungsloses Abtasten der Oberfläche. Demgemäß kann das Prüfen ein kontinuierlicher Vorgang sein. Alternativ kann das Prüfen eine Vielzahl von Einzelprüfungen oder -messungen, beispielsweise von verschiedenen Bereichen der Oberfläche, umfassen.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Prüfen der Eigenschaften in situ und/oder unmittelbar am Ort der Schicht des Ausgangsmaterials oder des verfestigten Ausgangsmaterials. Vorzugsweise erfolgt das Prüfen der Eigenschaften “online“, simultan und/oder parallel mit einer Pulverauftragung der Auftragungseinrichtung und/oder einer Rückbewegung der Auftragungseinrichtung, welche entgegen einer Auftragungsbewegung gerichtet ist.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Prüfen der Eigenschaften während einer Auftragungsbewegung der Auftragungseinrichtung, das heißt beispielsweise während einer Verschiebung der Auftragungseinrichtung für einen Pulverauftrag. Gemäß dieser Ausgestaltung können vorzugsweise die Eigenschaften des (noch nicht verfestigten) Ausgangsmaterials im Pulverzustand überwacht und/oder geprüft werden. Diese Ausgestaltung ist besonders zweckmäßig im Falle eines optischen Prüfverfahrens oder im Falle der Wirbelstromprüfung, wie oben beschrieben.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Prüfen der Eigenschaften während einer der Auftragungsbewegung entgegen gerichteten Bewegung oder Rückbewegung der Auftragungseinrichtung. Gemäß dieser Ausgestaltung können vorzugsweise Eigenschaften des bereits verfestigten Ausgangsmaterials im festen Zustand überwacht und/oder geprüft werden. Diese Ausgestaltung ist beispielsweise für alle weiter oben beschriebenen Prüfverfahren geeignet.
Zweckmäßigerweise erfolgt ein Verfestigungsschritt dann zwischen den beschriebenen Bewegungen der Auftragungseinrichtung.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren zur Qualitätssicherung nach dem Prüfen der Eigenschaften ein Auswerten eines Messergebnisses des Prüfens, wobei das Messergebnis mit einer Referenz verglichen wird, beispielsweise einer Referenzgeometrie für eine Schicht des Ausgangsmaterials. Eine Auswertung der erfassten oder gemessenen Informationen, beispielsweise nach oder während eines Verfestigungsschrittes oder nach jedem Auftragungsvorgang ermöglicht eine Reaktion oder Anpassung beispielsweise eines Herstellungsprozesses auf Unregelmäßigkeiten und damit die Vermeidung von Beschädigungen der Herstellungsvorrichtung und/oder von unnötigen Maschinenlaufzeiten.
In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das Anzeigen einer Warnung und/oder das Durchführen eines Abbruchs der additiven Herstellung des Bauteils, wenn beispielsweise das genannte Messergebnis außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegt. Vorzugsweise kann ein Strukturfehler dazu führen, dass das Messergebnis außerhalb des genannten Toleranzbereichs liegt.
In einer Ausgestaltung wird das Prüfen der Eigenschaften insbesondere nicht während des Verfestigens oder des Verfestigungsvorgangs durchgeführt. Diese Ausgestaltung erlaubt mit Vorteil eine Trennung des Verfestigungsprozesses von dem Prüfprozess, womit – wie oben beschrieben – Messartefakte verhindert werden können.
In einer Ausgestaltung ist das Prüfen der Eigenschaften des Ausgangsmaterials und/oder des verfestigten Ausgangsmaterials bzw. das Verfahren zur Qualitätssicherung ein thermographisches Verfahren.
In einer Ausgestaltung ist das Prüfen der Eigenschaften des Ausgangsmaterials und/oder des verfestigten Ausgangsmaterials bzw. das Verfahren zur Qualitätssicherung ein optisches Verfahren.
In einer Ausgestaltung ist das Prüfen der Eigenschaften des Ausgangsmaterials und/oder des verfestigten Ausgangsmaterials bzw. das Verfahren zur Qualitätssicherung ein Wirbelstromprüfverfahren.
In einer Ausgestaltung wird nach dem Prüfen der Eigenschaften, vorzugsweise im Fall eines durch das Prüfen festgestellten Strukturfehlers, ein weiteres Prüfverfahren, vorzugsweise ein computertomographisches Prüfverfahren, durchgeführt. Bei dem weiteren Prüfverfahren handelte sich vorzugsweise um ein Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven bzw. schichtweisen Herstellung umfassend das Verfahren zur Qualitätssicherung, wobei im Falle eines durch das Prüfen der Eigenschaften festgestellten Strukturfehlers, der Strukturfehler anschließend, beispielsweise durch ein Anpassen von Parametern in der schichtweisen Herstellung korrigiert wird. Für die beschriebene Korrektur kann es insbesondere erforderlich sein, dass – wie oben beschrieben – ein Messergebnis des Prüfens mit einer Referenz, beispielsweise einer Soll-Geometrie, verglichen wird. Die beschriebene Korrektur erlaubt vorteilhafterweise eine Rückkopplung und/oder Online-Überwachung der Herstellung des Werkstücks, welche insbesondere im Rahmen der komplexen additiven Fertigungsverfahren hinsichtlich der Verfahrenseffizienz einen wesentlichen Vorteil bietet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Werkstück oder Bauteil, welches gemäß dem beschriebenen Verfahren zur schichtweisen Herstellung hergestellt oder herstellbar ist.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren zur Qualitätssicherung und/oder das Verfahren zur schichtweisen Herstellung beziehen, können sich ferner auf die Vorrichtung zur Qualitätssicherung, die Anlage zur schichtweisen Herstellung und/oder das Werkstück beziehen, und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine Anlage zur schichtweisen Herstellung eines Bauteils, umfassend eine Vorrichtung zur Qualitätssicherung in einem Zustand während eines Auftragungsvorgangs.
2 zeigt analog zur Darstellung aus 1 die Anlage zur schichtweisen Herstellung in einem Zustand vor oder während einer Bewegung, die dem Auftragungsvorgang entgegen gerichtet ist.
1 zeigt eine Anlage oder Vorrichtung 200 zur schichtweisen oder additiven Herstellung eines Bauteils oder Werkstücks 1. Die Anlage 200 umfasst ihrerseits eine mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnete Vorrichtung zur Qualitätssicherung.
Anhand der Figuren sowie der Vorrichtung 100 zur Qualitätssicherung und der Anlage 200 wird ein Verfahren zur Materialprüfung oder Qualitätssicherung des Werkstücks 1 sowie ein Verfahren zu seiner schichtweisen Herstellung beschrieben.
Das Werkstück 1 kann ein gemäß einer vorbestimmten oder gewünschten Geometrie hergestellter oder herstellbarer dreidimensionaler Körper sein, welcher gemäß dem schichtweisen Herstellungsverfahren, beispielsweise mittels einem Strahlschmelzverfahren, wie SLM (selektives Laserschmelzen), durch eine Vielzahl einzelner Schichten (vergleiche Bezugszeichen 15 in 2) aufgebaut wird.
Bei dem Werkstück 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.
In 1 ist das Werkstück 1 vorzugsweise nur teilweise und nicht fertig aufgebaut oder 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 Werkstück 1.
Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Abführung oder Abführungseinrichtung 7 für das Ausgangsmaterial 8.
Die Anlage 200 umfasst weiterhin Behälter 9. In den Behältern 9 wird das Ausgangsmaterial 8 vorzugsweise für eine schichtweise Herstellung des Werkstücks 1 und für die entsprechende Zuführung und Abführung, gehalten.
Die Anlage 200 umfasst eine Bauplattform 2. Die Bauplattform 2 ist über Mittel 5 absenkbar ausgestaltet, beispielsweise absenkbar relativ zu den Behältern 9.
Die Anlage 200 weist weiterhin eine Verfestigungseinrichtung 3, beispielsweise einen Laser oder eine Elektronenstrahleinrichtung, auf. Gemäß dem beschriebenen Verfahren zur additiven Herstellung erfolgt ein schichtweises Auftragen von Ausgangsmaterial 8 und ein Verfestigen des (aufgetragenen) Ausgangsmaterials 8 vorzugsweise abwechselnd. Direkt nach dem Verfestigen und/oder direkt nach dem Auftragen umfasst das beschriebene Verfahren zur Qualitätssicherung vorzugsweise das Prüfen der Eigenschaften des Ausgangsmaterials 8.
Nach der Herstellung oder dem Aufbau einer einzelnen Schicht für das Werkstück 1, wird die Bauplattform 2 weiterhin vorzugsweise um ein der Schichtdicke entsprechendes Maß abgesenkt und anschließend einzeln beispielsweise mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen und verfestigt. Beim SLM-Verfahren wird im Rahmen der Verfestigung insbesondere ein Pulverbett punktförmig, linienförmig oder flächig gerastert und/oder vorzugsweise gemäß einer vorgegebenen Belichtungsgeometrie belichtet. Entsprechende Daten für die Belichtungsgeometrie werden vorzugsweise direkt einer 3D CAD- oder CAM-Datei entnommen.
Alternativ zum SLM-Verfahren kann das schichtweise Herstellungsverfahren selektives Lasersintern (SLS) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM) sein.
Zusammen mit dem zuvor verteilten oder aufgetragenen Ausgangsmaterial bildet das (bisher) aufgebaute oder hergestellte Werkstück 1 eine Oberfläche OF.
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 einer konventionellen Auftragungseinrichtung oder Beschichtungseinrichtungen von additiven Herstellungsverfahren sein.
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 Werkstücks 1 in einen Herstellungsraum auf der Bauplattform 2 verteilt. Überschüssiges Ausgangsmaterial 8 wird von der Auftragungseinrichtung 4 vorzugsweise in die Abführung 7 verschoben.
Zusätzlich zu der Bauplattform 2 können die Zuführung 6 und die Abführung 7 ihrerseits durch entsprechende Kolben oder Kolbenbewegungen absenkbar ausgestaltet sein.
Die Vorrichtung zur Qualitätssicherung 100 umfasst weiterhin eine Prüfeinrichtung 10. Die Prüfeinrichtung 10 ist vorzugsweise an der Auftragungseinrichtung 4 befestigt. Dementsprechend wird die Prüfeinrichtung 10 – während jeder Bewegung der Auftragungseinrichtung – zusammen mit der Auftragungseinrichtung 4 geführt.
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 “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 (Ungänzen) gemeint sein. Die beschriebenen Strukturdefekte entwickeln sich im Rahmen einer schichtweisen Herstellung häufig zu schwerwiegenden Strukturfehlern, die nach einem Belichtungsschritt häufig durch konventionelle Verfahren der Qualitätssicherung unerkannt bleiben.
Im Rahmen der Prüfung der Eigenschaften wird das Prüfen der Eigenschaften vorzugsweise durch berührungsloses Abtasten oder scannen der Oberfläche (OF) durchgeführt. Dabei können eine Vielzahl von Einzelprüfungen oder Einzelmessungen von verschiedenen Bereichen auf der Oberfläche OF vorgenommen werden, um eine möglichst hohe Ortsauflösung und damit beispielsweise möglichst genau Strukturfehler des aufgetragenen Ausgangsmaterials 8 und/oder des verfestigten Ausgangsmaterials (vgl. Werkstück 1) zu erfassen.
Falls ein Strukturfehler durch die Prüfeinrichtung 10 erfasst wurde, kann vorzugsweise im Rahmen des beschriebenen Verfahrens zur schichtweisen Herstellung beispielsweise durch Anpassen von Herstellungsparameter in der schichtweisen Herstellung korrigiert werden. Solche Parameter können insbesondere das Strahlprofil des Lasers oder Elektronenstrahls, eine Pulverförderungsrate, die Größe eines belichteten Bereichs, die Belichtungsgeschwindigkeit, Parameter der Laserfokussierung, die Laserleistung, eine Flussrate eines Inertgases für die Herstellung, eine Schicht- oder Lagendicke der nacheinander herzustellenden Schichten des Bauteils und/oder Parameter einer Belichtungstrajektorie sein.
Die Prüfeinrichtung 10 kann eine optische Prüfeinrichtung sein. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die Prüfeinrichtung 10 vorzugsweise mit einem Scanner, beispielsweise einem Laserscanner wie einem Zeilen- oder Flachbettscanner, ausgerüstet oder durch diesen gebildet. Der Scanner 13 kann beispielsweise einen Linien- oder Streifenlaser umfassen. Gemäß der Darstellung in 1 ist der Scanner 13 vorzugsweise an der rechten Seite der Auftragungseinrichtung 4 angeordnet.
Bekannte Nachteile konventioneller, insbesondere optischer, Materialprüfverfahren betreffen beispielsweise eine unzureichende Auflösung aufgrund zu hoher Fokussierungsabstände oder den Zeitaufwand der Verfahren, da beispielsweise erst der Abschluss des Beschichtungs- oder Auftragungsvorgang abgewartet werden muss, um eine ungestörte Prüfung oder Qualitätsmessung durchzuführen. Die genannten Nachteile können, insbesondere durch die vorliegende Erfindung ausgeräumt oder zumindest eingeschränkt werden. Vorteilhafterweise können insbesondere Material- oder Strukturfehler erfindungsgemäß mit einer höheren Auflösung detektiert werden, da der Scanner 13 an der Auftragungseinrichtung 4, wie oben beschrieben, angeordnet wird. Der Scanner 13 kann insbesondere ausgebildet sein, weißes Licht, blaues Licht, UV- oder Infrarot-Strahlung oder andere kontinuierliche oder diskrete Wellenlängen zum Prüfen oder Messen der Materialeigenschaften zu benutzen.
Die geometrische Verzerrung konventioneller Kameraobjektive erfordert weiterhin eine nachträgliche Korrektur der aufgenommenen oder gemessenen Schicht in Abhängigkeit der Entfernung zum Objektiv. Durch die erfindungsgemäße „objektnahe“ und parallele Bewegung des Scanners 13 zusammen mit der Auftragungseinrichtung 4 wird diese Verzerrung vorteilhafterweise vermieden. Das optische Prüfprinzip bietet weiterhin den Vorteil, dass bei jeder notwendigen Bewegung der Auftragungseinrichtung 4, simultan eine Prüfung oder ein Scan erzeugt wird, sodass keine weitere Stand- oder Leerlaufzeit der Anlage 200 entsteht. Dies gilt insbesondere sowohl für die Auftragungsbewegung, d.h. entlang der Richtung A sowie für die Bewegung der Auftragungseinrichtung 4 in einer Rückbewegung (vergleiche insbesondere den mit B gekennzeichneten Pfeil in 2) entgegengesetzt zu der Richtung A der Auftragungsbewegung. Somit kann ein Prüf- oder Messvorgang vorzugsweise sowohl direkt nach einem Auftragungsvorgang, also nach dem Auftragen von Ausgangsmaterial 8 zur Prüfung desselben sowie direkt nach der Verfestigung zur Prüfung der Eigenschaften des verfestigten Materials durchgeführt werden.
Sind Unregelmäßigkeiten oder Strukturfehler in der zuletzt geprüften oder verfestigten Schicht oder den darunterliegenden Schichten vorhanden, ist dies vorzugsweise in einem Messergebnis, insbesondere einem „Scan“ und/oder Bild, beispielsweise einer entsprechenden Anzeigeeinrichtung der Prüfeinrichtung 10 für einen Benutzer oder Anwender erkennbar.
Die Prüfeinrichtung 10 kann weiterhin eine Wirbelstromprüfeinrichtung sein. Gemäß dieser Ausgestaltung umfasst die Prüfeinrichtung 10 vorzugsweise Wirbelstromprüfköpfe 14. Vorzugsweise umfasst oder bezeichnet jedes der Wirbelstromprüfköpfe 14 einen Wirbelstromsensor und ein entsprechendes Erregerelement, beispielsweise eine Erregerspule. Die Wirbelstromprüfköpfe 14 können alternativ zu der Darstellung aus 1 statt an der rechten Seite auch an der linken Seite der Auftragungseinrichtung 4 angeordnet sein oder an einer anderen Stelle. Vorzugsweise funktioniert die Wirbelstromprüfung weitgehend analog zu der oben beschriebenen Ausgestaltung der Prüfeinrichtung mit optischem Messprinzip. Vorzugsweise umfasst die Prüfeinrichtung 10, insbesondere über die gesamte zu beschichtende Fläche hinweg (in den Figuren in die Papierebene hinein) eine Reihe oder ein Feld von Wirbelstromprüfköpfen 14. Das Wirbelstromprüfverfahren bietet insbesondere gegenüber den anderen hier beschriebenen Methoden zur Qualitätssicherung den Vorteil, dass zusätzlich zu Informationen über Oberflächeneigenschaften der jeweiligen Schicht Informationen über die Eigenschaften entlang seiner Schichtdicke (Höhenprofil) erfasst werden können und somit Informationen von Volumeneigenschaften der Schichten gewonnen werden.
Eine Anordnung sowie die Anzahl der Wirbelstromprüfköpfe 14 bzw. der entsprechenden Wirbelstromsensoren und Erregerelemente definieren vorzugsweise eine Ortsauflösung des beschriebenen Verfahrens und/oder der Vorrichtung 100. Insbesondere kann die laterale Auflösung eines Prüfvorgangs dem minimalen Abstand der Wirbelstromprüfköpfe bei einem einzeiligen Array, ansonsten beispielsweise einem Spurversatz bei einem mehrzeiligen von Wirbelstromprüfköpfen und/oder Wirbelstromsensoren entsprechen.
Das vorzugsweise von den Wirbelstromsensoren und/oder Wirbelstromprüfköpfen 14 gewonnene oder gemessene Signal, bzw. Ergebnis ist vorzugsweise ein Profil der Amplitude und Phase der angeregten oder induzierten Wirbelströme für jede Position der Auftragungseinrichtung 4 auf oder über der Oberfläche OF. Dies führt zu einer zweidimensionalen Darstellung eines Prüf- oder Messergebnisses, welches beispielsweise ebenfalls mit einer zweidimensionalen Soll-Geometrie verglichen werden kann (siehe unten).
Dies gilt im Übrigen in analoger Weise für alle vorliegend beschriebenen Methoden der Materialprüfung. Insbesondere kann eine Mustererkennung von speziellen Strukturfehlern in dem aufgetragenen Ausgangsmaterial und/oder in dem verfestigten Ausgangsmaterial zum Einsatz kommen, welche ein Mess- oder Prüfergebnis und/oder eine Verfahrenseffizienz verbessert.
Nachdem die Auftragungseinrichtung 4 das Ausgangsmaterial 8 aufgetragen und verteilt hat und am linken Rand der Oberfläche OF angekommen ist (vgl. 1) erfolgt zweckmäßigerweise der Verfestigungsschritt des Ausgangsmaterials mittels der Verfestigungseinrichtung 3.
2 zeigt eine Situation, in der bei der Anlage 200 die Vorrichtung zur Qualitätssicherung 100, bzw. die Auftragungseinrichtung 4 in einer Endposition, bezogen auf einen Auftragungsvorgang angekommen ist. Alternativ kann bereits der Anfang einer der Auftragungsbewegung entgegen gerichteten Rückbewegung (vorzugsweise nach dem Verfestigen) bezeichnet sein, in der die Auftragungseinrichtung wieder in Richtung der Zuführung 6 bewegt werden muss, um – für eine weitere Schicht – erneutes Ausgangsmaterial auftragen zu können. Bei dieser Rückbewegung kommt vorzugsweise ein thermographisches Verfahren zum Prüfen zum Einsatz.
Die Prüfeinrichtung 10 kann dementsprechend ebenfalls eine thermographische Prüfeinrichtung sein. Gemäß dieser Ausgestaltung umfasst die Prüfeinrichtung 10 zweckmäßigerweise einen oder mehrere thermische Sensoren 11 und einen oder mehrere Anregungseinheiten 12. Als Anregungseinheiten 12 können beispielsweise Halogenstäbe vorgesehen sein.
Der oder die thermischen Sensoren sind vorzugsweise an der linken Seite der Auftragungseinrichtung 4 angeordnet. Der oder die Anregungseinheiten 12 sind vorzugsweise an der rechten Seite der Auftragungseinrichtung 4 angeordnet. Gemäß der Darstellung in 1 entspricht die rechte Seite der Auftragungseinrichtung 4 einer Seite der Auftragungseinrichtung, welche entgegen der Richtung A (vgl. 1), also in Richtung B (vgl. 2) zeigt.
Hingegen ist der thermische Sensor vorzugsweise an der linken oder anderen Seite, d.h. an der Seite der Auftragungseinrichtung 4 angeordnet, welche in Richtung A zeigt.
Fährt die Auftragungseinrichtung nun ausgehend von der in 2 dargestellten Position entlang Richtung B zurück. Regen vorzugsweise eine Vielzahl von Anregungseinheiten 12 vorzugsweise die letzte soeben belichtete oder verfestigte Schicht 15 thermisch an, gegebenenfalls zusammen mit den darunterliegenden Schichten aufgrund der Wärmeleitung des Werkstücks 1. Die thermischen Sensoren 11, welche den Anregungseinheiten 12 in Bewegungsrichtung B der Auftragungseinrichtung 4 nachfolgen, zeichnen nun die durch die Wärmeableitung erzeugten Temperaturgradienten auf oder messen diese.
Vorzugsweise ist die Prüfeinrichtung 10 gemäß dieser Ausgestaltung derart ausgeführt, dass die Anregungseinheiten 12 und die thermischen Sensoren 11 einen festen Abstand zueinander haben, was zur Robustheit des Prüf- oder Messprozesses beiträgt.
Sind Strukturfehler in der zuletzt verfestigten Schicht oder den darunterliegenden Schichten vorhanden, ist dies vorzugsweise in einem Messergebnis, insbesondere einem Thermographie-Bild als gestörte Wärmeleitung mit hoher Ortsauflösung erkennbar und kann einem Verwender des beschriebenen Verfahrens angezeigt werden.
Analog zu dem oben beschriebenen Wirbelstromprüfverfahren, können eine Dichte und/oder Anordnung der Anregungselemente 12 und/oder der thermischen Sensoren 11 eine Ortsauflösung des beschriebenen Verfahrens und/oder der Vorrichtung 100 definieren.
Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Ausgestaltungen der Qualitätssicherung, kann die vorliegende Erfindung, beispielsweise zur Kontrolle eines Prüfergebnisses, also anschließend an das Prüfen der Eigenschaften, ein weiteres Prüfverfahren, beispielsweise ein computertomographisches Verfahren umfassen. Ein solches computertomographisches (CT) Verfahren wird üblicherweise im Nachgang zu oder zwischen einzelnen Prozessschritten der additiven Herstellung durchgeführt, was jedoch zu einer erheblichen Verlängerung der Aufbauzeit führt. Ein solches CT-Verfahren kann insbesondere im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Soll-Geometrie einer aufzubringen Schicht liefern, welche als Referenz oder Referenzgeometrie für ein Messergebnis der Prüfung der beschriebenen Struktureigenschaften dienen kann.
Der beschriebene Vergleich mit der Referenz oder Soll-Geometrie kann Teil einer Auswertung des Messergebnisses des Prüfens bzw. der beschriebenen Qualitätssicherung sein und dementsprechend bereits während der additiven Herstellung zeiteffizient erfolgen. Idealerweise kann durch einen solchen Referenzvergleich oder eine entsprechende Auswertung eine „Online“-Überprüfung, d.h. während der additiven Herstellung, durchgeführt werden. Dadurch kann mit Vorteil die Eignung eines Werkstücks aufgrund mangelhafter Struktureigenschaften frühzeitig erkannt werden oder ein entsprechender Mangel durch die Anpassung von Herstellungsparametern korrigiert werden (siehe oben).
Ebenfalls kann nach dem Prüfen der Eigenschaften und als Folge eines ausgewerteten Messergebnisses insbesondere einem Anwender oder Benutzer eine Warnung angezeigt und/oder beispielsweise ein Abbruchs der Herstellung des Bauteils durchgeführt werden, wenn das genannte Messergebnis außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs liegt.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014202020 A1 [0007]
DE 102014212246 B3 [0009]
EP 2823917 A2 [0010]

Claims

Verfahren zur Qualitätssicherung eines schichtweise herzustellenden Werkstücks (1) umfassend die folgenden Schritte: – schichtweises Auftragen eines Ausgangsmaterials (8) für das Werkstück (1) auf einer Oberfläche (OF) mit einer Auftragungseinrichtung (4), – Verfestigen des Ausgangsmaterials (8), – Prüfen von Eigenschaften des Ausgangsmaterials (8) und/oder des verfestigten Ausgangsmaterials (1) mit einer Prüfeinrichtung (10) während einer Bewegung der Auftragungseinrichtung (4), wobei die Prüfeinrichtung (10) von der Auftragungseinrichtung (4) mitgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Prüfen der Eigenschaften durch berührungsloses Abtasten der Oberfläche (OF) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Prüfen der Eigenschaften während einer Auftragungsbewegung der Auftragungseinrichtung (4) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prüfen der Eigenschaften, während einer der Auftragungsbewegung entgegen gerichteten Bewegung der Auftragungseinrichtung (4) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend nach dem Prüfen der Eigenschaften ein Auswerten eines Messergebnises des Prüfens, wobei das Messergebnis mit einer Referenz verglichen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Prüfen der Eigenschaften ein thermographisches Verfahren, ein optisches Verfahren und/oder ein Wirbelstromverfahren ist.
Verfahren zur schichtweisen Herstellung, umfassend das Verfahren zur Qualitätssicherung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Falle eines durch das Prüfen der Eigenschaften festgestellten Strukturfehlers, der Strukturfehler anschließend, beispielsweise durch ein Anpassen von Parametern in der schichtweisen Herstellung, korrigiert wird.
Vorrichtung (100) zur Qualitätssicherung eines Werkstücks (1) umfassend: – eine, beispielsweise relativ zu einer Bauplattform (2) bewegliche, Auftragungseinrichtung (4) zum schichtweisen Auftragen eines Ausgangsmaterials (8) für das Werkstück (1) und – eine Prüfeinrichtung (10) zum Prüfen von Eigenschaften des Ausgangsmaterials (8) oder des Werkstücks (1), wobei die Prüfeinrichtung (10) an der Auftragungseinrichtung (4) befestigt ist.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 8, wobei die Prüfeinrichtung (10) eine thermographische Prüfeinrichtung ist und mindestens einen thermischen Sensor (11) und mindestens eine Anregungseinheit (12) aufweist.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 9, wobei der mindestens eine thermische Sensor (11) an einer Seite der Auftragungseinrichtung (4) angeordnet ist, welche in Richtung einer Auftragungsbewegung (A) zeigt und wobei die mindestens eine Anregungseinheit (12) an einer Seite der Auftragungseinrichtung (4) angeordnet ist, welche entgegen der Richtung der Auftragungsbewegung (A) zeigt.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 8, wobei die Prüfeinrichtung (10) eine optische Prüfeinrichtung, beispielsweise mit einem Scanner (13), wie einem Zeilen- oder Flachbettscanner, ist.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 8, wobei die Prüfeinrichtung eine Wirbelstromprüfeinrichtung ist, umfassend einen oder mehrere Wirbelstromprüfköpfe (14), wobei eine Anordnung der Wirbelstromprüfköpfe (14), eine Ortsauflösung der Prüfeinrichtung (10) definieren.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 12, wobei jeder der Wirbelstromprüfköpfe einen Wirbelstromsensor und ein Erregerelement umfasst.
Anlage (200) zur schichtweisen Herstellung eines Werkstücks (1), umfassend die Vorrichtung (100) zur Qualitätssicherung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13 weiterhin umfassend: – eine Bauplattform (2) und – eine Verfestigungseinrichtung (3) zum Verfestigen des Ausgangsmaterials (8) für die Herstellung des Werkstücks (1).