DE102016211069A1

DE102016211069A1 - Verfahren zum Prüfen eines Bauteils und Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren

Info

Publication number: DE102016211069A1
Application number: DE102016211069.1A
Authority: DE
Inventors: Joachim Bamberg
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines Bauteils (10), bei welchem zumindest die Schritte a) Herstellen des Bauteils (10) durch ein additives Schichtbauverfahren, b) plastisches Verformen des Bauteils (10), c) Untersuchen des verformten Bauteils (10) mittels einer Durchstrahlungsprüfung und d) Ermitteln von Bindefehlern (18) anhand von im Rahmen der Durchstrahlungsprüfung ermittelten Messwerten des Bauteils (10) durchgeführt werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils (10) durch ein additives Schichtbauverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines Bauteils, das durch ein additives Schichtbauverfahren hergestellt ist, sowie Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren.
Additive Herstellungsverfahren bezeichnen Prozesse, bei denen anhand von digitalen 3D-Konstruktionsdaten Werkstoff schichtweise abgelagert wird, um ein Bauteil, beispielsweise ein Bauteil eines Flugtriebwerks, additiv aufzubauen. Damit unterscheiden sich additive bzw. generative Herstellungsverfahren von konventionellen abtragenden oder urformenden Fertigungsmethoden. Anstatt zum Beispiel ein Werkstück aus einem festen Block herauszufräsen, bauen additive Herstellungsverfahren Bauteile Schicht für Schicht aus einem oder mehreren Werkstoffen auf. Beispiele für additive Herstellungsverfahren sind generative Lasersinter- bzw. Laserschmelzverfahren, die beispielsweise zur Herstellung von Bauteilen für Flugtriebwerke verwendet werden. Beim selektiven Laserschmelzen werden dünne Pulverschichten des oder der verwendeten Werkstoffe auf eine Bauplattform aufgebracht und mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen lokal aufgeschmolzen und verfestigt. Anschließend wird die Bauplattform abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut lokal verfestigt. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das fertige Bauteil erhalten wird. Das Bauteil kann anschließend bei Bedarf weiterbearbeitet oder sofort verwendet werden. Beim selektiven Lasersintern wird das Bauteil in ähnlicher Weise durch laserunterstütztes Sintern von pulverförmigen Werkstoffen hergestellt. Ebenso ist es bekannt, Bauteile im Rahmen von Stereolithographie-Verfahren schichtweise aus lichtaushärtenden Kunststoffen aufzubauen.
Bei der additiven Herstellung von Bauteilen kann es durch Prozessstörungen zu Aufbaufehlern kommen, die sich nachteilig auf die Qualität des Bauteils auswirken. Durch die Prozessstörungen können innerhalb des Bauteilvolumens sehr kleine Fehler, sogenannte Bindefehler auftreten, die am fertigen Bauteil mit konventionellen zerstörungsfreien Methoden wie beispielsweise Ultraschall, Röntgen, Eindringprüfung und dergleichen bisher nicht nachweisbar sind, da die (flächigen) Bindefehler für radiographische Verfahren kein nachweisbares Volumen aufweisen und für Ultraschall in der Regel zu klein (~100 µm) sind und das umgebende Gefüge zu grob ist. Eindringprüfungen sind üblicherweise von vornherein nicht anwendbar, da die Bindefehler innenliegend sind. Im Rahmen bisheriger Untersuchungsverfahren musste ein zu untersuchendes Bauteil daher zerschnitten und gegebenenfalls poliert und metallographisch untersucht werden. Dieses Vorgehen ist sehr zeit- und kostenaufwendig, erlaubt lediglich die Beurteilung sehr kleiner Bauteilvolumina und ermöglicht nur eine unzuverlässige statistische Auswertung der Fehlergrößenverteilung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Untersuchung und Absicherung der Werkstoffqualität bei der additiven Fertigung von Bauteilen zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren so zu verbessern, dass diese eine zerstörungsfreie Untersuchung und Absicherung der Werkstoffqualität des additiv gefertigten Bauteils ermöglicht.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und umgekehrt anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines Bauteils, umfassend zumindest die Schritte a) Herstellen des Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, b) plastisches Verformen des Bauteils, c) Untersuchen des verformten Bauteils mittels einer Durchstrahlungsprüfung und d) Ermitteln von Bindefehlern anhand von im Rahmen der Durchstrahlungsprüfung ermittelten Messwerten des Bauteils. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Bauteil zunächst additiv über ein Schichtbauverfahren hergestellt, anschließend plastisch verformt und dann einer zerstörungsfreien Werkstoffprüfung aus der Gruppe der Durchstrahlungsprüfungsverfahren unterzogen wird. Generell kann es auch vorgesehen sein, zwei oder mehr unterschiedliche Durchstrahlungsprüfungsverfahren durchzuführen. Durch das plastische Verformen werden etwaig vorhandene Bindefehler im Bauteilvolumen zu Kavitäten aufgeweitet, die dann im Rahmen des oder der Durchstrahlungsprüfungsverfahren detektierbar und auswertbar sind. Dies ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Untersuchung und Absicherung der Werkstoffqualität von additiv gefertigten Bauteilen, wobei das gesamte Volumen des Bauteils untersucht und beurteilt werden kann. Aufgrund der zuverlässigen Detektierbarkeit von Bindefehlern können diese zudem statistisch zuverlässig ausgewertet und beispielsweise zur Verbesserung der Prozessparameter des additiven Schichtbauverfahrens herangezogen werden. Ebenso sind eine statistisch robuste Bewertung der Kritikalität bestimmter Bindefehler sowie eine Fehlergrößenangabe möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Bauteil aus einem Werkstoff hergestellt wird, der Metall, keramische Werkstoffe und/oder Kunststoff umfasst. Unter dem Begriff Metall sind dabei im Rahmen der Erfindung metallische Elemente wie beispielsweise Eisen, Titan, Nickel, Chrom, Cobalt, Kupfer, Aluminium usw., Legierungen wie beispielsweise Stahl, Titanlegierungen, Kobaltlegierungen, Chromlegierungen, Nickelbasislegierungen, Kupferlegierungen usw. sowie intermetallische Phasen wie beispielsweise Mg₂Si, Titanaluminide Ti₃Al, TiAl und dergleichen zu verstehen. Alternativ oder zusätzlich können keramische Werkstoffe und/oder Kunststoffe als Werkstoff verwendet werden. Der oder die Kunststoffe können dabei zumindest im gehärteten Zustand transparent sein und bedarfsweise mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 3,0 µm und 100 nm, insbesondere im sichtbaren Bereich zwischen von etwa 380 nm bis 780 nm durchstrahlt werden. Der Werkstoff wird vorzugsweise in Pulverform verwendet. Dies erlaubt die einfache Anpassung an unterschiedliche additive Fertigungsverfahren, Bauteiltypen und Werkstoffe bzw. Werkstoffkombinationen.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem das Bauteil zylinderförmig oder als Zugprobe ausgebildet wird. Dies erlaubt eine besonders gleichmäßiges und kontrolliertes Verformen sowie entsprechend präzise Untersuchungsergebnisse im Rahmen der Durchstrahlungsprüfung. Die Zugprobe kann gemäß DIN 50125 als Schulter-, Rund- oder Stabprobe hergestellt sein, so dass die Messlänge in einem definierten Verhältnis zum Durchmesser des Bauteils steht. Eine typische Probenlänge beträgt zwischen 50 mm und 100 mm, insbesondere etwa 70 mm. Ein typischer Probendurchmesser beträgt zwischen 4 mm und 8 mm, insbesondere etwa 6 mm.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Bauteil vor Schritt b) insbesondere spanend nachbearbeitet wird. Hierdurch kann das Bauteil in eine für die folgenden Schritte optimale Form gebracht werden. Beispielsweise kann in manchen Ausgestaltungen eine Kerbwirkung und damit ein Verfälschen des Ergebnisses beim Verformen dadurch vermieden werden, dass die Oberfläche des Bauteils vor dem Verformen gedreht, insbesondere feinstgedreht oder sogar poliert wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Bauteil bereits vor Schritt b) mittels einer Durchstrahlungsprüfung untersucht werden, um eine grundsätzlich optionale Referenzmessung durchzuführen. Die Referenzmessung kann dann bei der späteren Ermittlung und Beurteilung der Bindefehler herangezogen werden. Dies bietet den Vorteil, dass kleine Poren mit einem Durchmesser von beispielsweise 30–50 μm lokalisiert werden können. Solche Poren sind im Gegensatz zu Bindefehlern in der Regel in begrenzter Zahl bzw. Dichte im Werkstoff zulässig, so dass bereits zu diesem Verfahrenszeitpunkt eine Qualitätsbeurteilung möglich ist. Darüber hinaus können die bereits vorhandenen Poren von im Rahmen nachfolgender Verfahrensschritte möglicherweise erst erzeugten bzw. detektierbar gemachten Fehlerstellen bzw. Bindefehlern unterschieden werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem das Bauteil in Schritt b) gedehnt wird. Dies stellt eine einfache und prozesssichere Möglichkeit dar, um etwaige Bindefehler zu Kavitäten aufzuweiten und damit für die Durchstrahlungsprüfung detektierbar zu machen. Eine besonders zuverlässige Aufweitung wird dabei in der Regel dadurch erzielt, dass das Bauteil in Richtung einer Bauteilhauptachse und/oder senkrecht zu einer Schichtebene des Schichtbauverfahrens gedehnt wird. Um sicherzustellen, dass das Bauteil nur plastisch verformt wird und keine Sprödbrüche oder dergleichen auftreten, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Bauteil um maximal 20 % in eine Richtung gedehnt wird, also beispielsweise um 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 5 %, 6 %, 7 %, 8 %, 9 %, 10 %, 11 %, 12 %, 13 %, 14 %, 15 %, 16 %, 17 %, 18 %, 19 % oder 20 %. Insbesondere in Kombination mit einer bereits vor Schritt b) durchgeführten Durchstrahlungsprüfung können zudem vor der Plastifizierung vorhandene Poren und Fehlerstellen von erst durch die Plastifizierung geöffneten und damit als Kavitäten detektierbar gemachten Bindefehlern zu unterscheiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Durchstrahlungsprüfung eine radiographische, insbesondere eine computertomographische Untersuchung des Bauteils durchgeführt wird. Hierdurch können Transversalschnitte und sogar Volumengrafiken des Bauteils erzeugt werden, was eine besonders zuverlässige Ermittlung von etwaig vorhandenen Bindefehlern im Bauteil erlaubt.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem während Schritt a) mindestens ein Schichtbild des Bauteils mittels eines Kamerasystems akquiriert wird, wobei das Schichtbild einen Energieeintrag in eine Bauteilschicht charakterisiert. Hierdurch ist es möglich, den Energieeintrag in das Bauteil während seiner Herstellung zu erfassen und räumlich aufgelöst aufzuzeichnen. Im Unterschied zu einer rein geometrischen Aufnahme des Bauteils erlaubt die Ermittlung des Energieeintrags eine vertiefte und umfassende Qualitätsanalyse des hergestellten Bauteils, da auch geometrisch unauffällige Materialungleichmäßigkeiten, fehlerhafte Prozessparameter des generativen Schichtbauverfahrens und dergleichen detektiert werden können. Vorzugsweise werden für mehrere oder für alle Schichten, die im Rahmen des additiven Schichtbauverfahrens hergestellt werden, ein oder mehrere Schichtbilder aufgenommen. Durch eine anschließende Kombination bzw. das Stapeln der einzelnen Schichtbilder kann ein dreidimensionales Abbild des Bauteils generiert werden, welches dementsprechend den Energieeintrag an jedem gemessenen Punkt des Bauteils charakterisiert. Mit Hilfe dieses Abbilds ist zusätzlich zur Auswertung der im Rahmen der Durchstrahlungsprüfung gewonnenen Messwerte eine besonders zuverlässige Kontrolle und Beurteilung der Fertigungsqualität des Bauteils ermöglicht. Im Unterschied beispielsweise zu einer konventionellen Röntgenuntersuchung, bei der es sich um ein Projektionsverfahren mit sich überlagernden Strukturen handelt, können dabei die inneren Strukturen des Bauteils zerstörungs- und überlagerungsfrei so angezeigt werden, wie sie nach dem formalen Aufschneiden des Bauteils tatsächlich vorlägen.
Dabei hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn als Kamerasystem eine optische Tomographieeinrichtung verwendet wird. Dies erlaubt eine hochgenaue Erfassung der einzelnen Schichten des Bauteils. Die Optische Tomographie ist ein leistungsfähiges, zerstörungsfreies Verfahren zur Überwachung des Schichtbauverfahrens bei der Additiven Fertigung. Prozessstörungen, wie z. B. verstärkte Schmauchbildung oder Verwirbelung der Schutzgasströmung, werden zuverlässig erkannt und können dokumentiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels einer Recheneinrichtung die im Rahmen der Durchstrahlungsprüfung ermittelten Messwerte des Bauteils und das wenigstens eine mittels des Kamerasystems akquirierte Schichtbild korreliert und als Bindefehler charakterisierender Prüfdatensatz in einer Speichereinrichtung gespeichert werden. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Messergebnisse der Durchstrahlungsprüfung und die optische Schichtbildaufnahme(n) korreliert werden und in Form eines Prüfdatensatzes in computerlesbarer Form gespeichert werden. Hierdurch ist es erstmals möglich, unter Zuhilfenahme des Prüfdatensatzes online, das heißt während der Herstellung eines Bauteils, eine zerstörungsfreie Fehlerprüfung bei additiven Schichtbauverfahren durchzuführen, da der Prüfdatensatz auch ohne die Zuhilfenahme von Durchstrahlungsprüfungen eine verbesserte Auswertung von optisch akquirierten Schichtbildern ermöglicht und die zuverlässige Detektion und Beurteilung von Bindefehlern erlaubt.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem der Prüfdatensatz zusätzlich wenigstens einen Parameter aus der Gruppe Gerätetyp, Werkstoff und Prozessparameter des Schichtbauverfahrens charakterisiert. Hierdurch kann der Prüfdatensatz optimal unterschiedliche Gerätetypen bzw. additive Schichtbauverfahren, unterschiedliche Werkstoffe und/oder unterschiedliche Prozessparameter berücksichtigen, so dass für ein konkretes Schichtbauverfahren der jeweils passende Prüfdatensatz bereitgestellt werden kann.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, wobei die Vorrichtung ein Kamerasystem umfasst, mittels welchem während des Schichtbauverfahrens mindestens ein Schichtbild des Bauteils akquirierbar ist, wobei das Schichtbild einen Energieeintrag in eine Bauteilschicht charakterisiert. Eine zerstörungsfreie Untersuchung und Absicherung der Werkstoffqualität des additiv gefertigten Bauteils wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass die Vorrichtung eine Speichereinrichtung aufweist, welche einen Bindefehler charakterisierenden Prüfdatensatz umfasst, wobei der Prüfdatensatz durch Korrelation von mittels einer Durchstrahlungsprüfung ermittelten Messwerten des Bauteils mit wenigstens einem mittels eines Kamerasystems akquirierten Schichtbilds erhalten ist. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine mit dem Kamerasystem und der Speichereinrichtung gekoppelte Recheneinrichtung, wobei die Recheneinrichtung dazu ausgebildet ist, das wenigstens eine Schichtbild unter Berücksichtigung des Prüfdatensatzes auf das Vorhandensein von wenigstens einem Bindefehler zu prüfen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Ausdruck „ausgebildet zu“ so zu verstehen, dass die Recheneinrichtung nicht nur eine allgemeine Eignung besitzt, sondern konkret hard- und/oder softwarebasiert zur Durchführung der genannten Schritte eingerichtet und konfiguriert ist. Indem die Messergebnisse einer Durchstrahlungsprüfung und eine oder mehrere optische Schichtbildaufnahme(n) korreliert und in Form eines Prüfdatensatzes bereitgestellt werden, ist es möglich, unter Zuhilfenahme des Prüfdatensatzes online, das heißt während der Herstellung eines Bauteils, eine zerstörungsfreie Fehlerprüfung bei additiven Schichtbauverfahren durchzuführen, da der Prüfdatensatz auch ohne die Zuhilfenahme von Durchstrahlungsprüfungen eine verbesserte Auswertung von optisch akquirierten Schichtbildern ermöglicht und damit die zuverlässige Detektion und Beurteilung von Bindefehlern erlaubt. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um ein Bauteil für eine thermische Gasturbine, insbesondere für ein Flugtriebwerk oder dergleichen handeln. Der Prüfdatensatz kann beispielsweise mit Hilfe eines im Zusammenhang mit dem ersten Erfindungsaspekt beschriebenen Verfahrens ermittelt und bereitgestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung eine additive Lasersinter- und/oder Laserschmelzeinrichtung zum Durchführen des additiven Schichtbauverfahrens umfasst. Hierdurch können auch geometrisch komplexe Bauteile zumindest endkonturnah aus hochschmelzenden Metallen hergestellt werden, wobei die vorteilhafte Online-Kontrolle der einzelnen hergestellten Bauteilschichten mit Hilfe des Kamerasystems und des Prüfdatensatzes gewährleistet ist. Zudem besteht die Möglichkeit, die additive Lasersinter- und/oder Laserschmelzeinrichtung in Abhängigkeit der Evaluierung der Gefügestruktur bzw. im Fall einer Detektion von Bindefehlern derart anzusteuern, so dass eine nachfolgende Bauteilschicht derart hergestellt wird, dass diese Gefügestörungen und/oder etwaige sonstige Bauteilfehler repariert oder zumindest kompensiert werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem das Kamerasystem eine optische Tomographieeinrichtung (OT) und/oder eine Kamera mit einer Auflösung von mindestens 4 Megapixeln und/oder eine Kamera mit einem Dynamikumfang von mindestens 14 Bit und/oder eine Kamera mit einer spektralen Empfindlichkeit im sichtbaren und/oder infraroten Bereich umfasst. Eine gegebenenfalls ohnehin vorhandene OT kann vorteilhaft dazu verwendet werden, ein Schichtbilde einer generativ hergestellten Bauteilschicht aufzuzeichnen. Vorzugsweise besitzt die Kamera des Kamerasystems eine Auflösung von mindestens 4 Megapixeln, vorzugsweise von mindestens 5 Megapixeln, besonders bevorzugt von mindestens 20 Megapixeln. Insbesondere besitzt die Kamera eine Auflösung von mindestens 40 Megapixeln, wodurch auch vergleichsweise filigrane Bildstrukturen erfassbar und auswertbar sind. Dementsprechend verbessern auch Kameras mit einem möglichst hohen Dynamikumfang von 14 Bit oder mehr die Auswertung und erlauben die Erstellung von Langzeitaufnahmen. Alternativ können Hochkontrastbilder gegebenenfalls auch aus einer Belichtungsreihe von gewöhnlichen Bildern mit geringem Dynamikumfang erstellt werden. Die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges liegt im Wellenlängenbereich zwischen etwa 400 nm und etwa 700 nm. Während der sichtbare Bereich üblicherweise mit CCD- und CMOS-Kameras abgebildet werden kann, können im nahen Infrarot (NIR, 900 nm bis 1700 nm) InGaAs-Kameras verwendet werden. Eine NIR-Kamera hat eine hervorragende spektrale Empfindlichkeit und erreicht eine Quanteneffizienz von mehr als 80%. Zudem kann eine NIR-Kamera optimal für thermographische Aufnahmen verwendet werden. SWIR-Kameras, auch kurzwellige Infrarotkameras genannt, nutzen MCT-Detektoren und decken den Bereich von etwa 850 nm bis 2500 nm ab. Eine SWIR-Kamera kann daher bei heißen Objekten wie generativ hergestellten Bauteilschichten ebenfalls als Thermographiekamera oder Wärmebildkamera arbeiten.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Speichereinrichtung für eine Vorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt, wobei die Speichereinrichtung einen Bindefehler charakterisierenden Prüfdatensatz umfasst, der mittels eines Verfahrens ermittelt ist, das im Zusammenhang mit dem ersten Erfindungsaspekt beschrieben wurde. Hierdurch kann der Prüfdatensatz in computerlesbarer Form bereitgestellt, signaltechnisch mit einer Recheneinrichtung gekoppelt und in einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur zerstörungsfreien Online-Prüfung eines additiv hergestellten Bauteils verwendet werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Dabei zeigt:
1 eine Perspektivansicht eines zylinderförmigen Bauteils;
2 eine Perspektivansicht des nachbearbeiteten Bauteils;
3 eine Prinzipdarstellung einer Durchstrahlungsprüfung;
4 eine perspektivische Abbildung des mittels einer Durchstrahlungsprüfung untersuchten Bauteils vor seiner Verformung;
5 eine Perspektivansicht eines Bauteils vor seiner Verformung, wobei innen liegende Bindefehler schematisch vergrößert dargestellt sind;
6 eine Perspektivansicht des Bauteils nach seiner Verformung, wobei die innen liegenden Bindefehler schematisch vergrößert dargestellt sind;
7 eine computertomographische Aufnahme des gedehnten Bauteils;
8 eine vergrößerte Darstellung des in 7 markierten Bereichs VIII, in welchem Bindefehler erkennbar sind;
9 eine schematische Darstellung des in 7 markierten Bereichs VIII, in welchem Binde- und Gefügefehler markiert sind, die mittels einer Durchstrahlungsprüfung und einer optischen Tomographie identifiziert wurden;
10 eine computertomographische Aufnahme einer Schicht mit zwei Bindefehlern; und
11 ein mittels optischer Tomographie akquiriertes Schichtbild der in 10 gezeigten Schicht.
1 zeigt eine Perspektivansicht eines zylinderförmigen Bauteils 10, das durch selektives Laserschmelzen (SLM), das heißt durch ein additives Schichtbauverfahren aus einer Legierung hergestellt wurde. Durch Prozessstörungen können dabei sehr kleine Fehler – sogenannte Bindefehler 18 (s. 5) – auftreten, die am fertigen Bauteil 10 mit konventionellen zerstörungsfreien Methoden (Ultraschall, Röntgen, Eindringprüfung etc.) bislang nicht nachweisbar sind.
Nach der additiven Herstellung wird das Bauteil 10 zu einer Zugprobe gemäß DIN 50125 weiterbearbeitet. 2 zeigt hierzu eine Perspektivansicht des Bauteils 10, nachdem es feinstgedreht und poliert wurde. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass das Bauteil 10 bereits im Rahmen des additiven Schichtbauverfahrens in Form einer Zugprobe gemäß DIN 50125 hergestellt und nicht nachbearbeitet oder nur poliert wird. Ebenso können alternative geometrische Ausgestaltungen vorgesehen sein.
Anschließend wird das Bauteil 10 als Referenzmessung mittels einer Durchstrahlungsprüfung untersucht, wobei dieser Schritt als grundsätzlich optional anzusehen ist. 3 zeigt hierzu eine Prinzipdarstellung einer an sich bekannten, radiographischen Durchstrahlungsprüfung. Man erkennt, dass das Bauteil 10 von einer Röntgenquelle 12 durchleuchtet und auf einem Röntgenfilm oder Röntgendetektor 14 abgebildet wird. Es entsteht eine Projektion des Volumens auf eine Fläche. In Strahlrichtung hintereinander liegende Bildteile des durchleuchteten Bauteils 10 überlagern sich damit zwangsläufig. Daher wird das Bauteil 10 um seine Bauteilhauptachse B gedreht, welche achsparallel zur in 3 gezeigten y-Achse angeordnet ist. Hierdurch werden Absorptionsprofile des Bauteils 10 aus vielen Richtungen erstellt und daraus die Volumenstruktur rekonstruiert. Es versteht sich, dass das Bauteil 10 grundsätzlich auch anderweitig bewegt bzw. rotiert werden kann. Im Gegensatz zum klassischen Röntgen sind die Messwerte kein zweidimensionales Bild, sondern ein eindimensionales Absorptionsprofil. Durch eine computergestützte Bildrekonstruktion kann anschließend für jedes Volumenelement des Bauteils 10 (Voxel) der Absorptionsgrad ermittelt und das dreidimensionale Abbild des Bauteils 10 errechnet werden.
4 zeigt hierzu eine perspektivische Abbildung des mittels der Durchstrahlungsprüfung untersuchten Bauteils 10. Diese Referenzmessung erlaubt aber lediglich die Detektion von oberflächlichen Poren 16, während innenliegende Bindefehler 18 (s. 5) nicht detektierbar sind, da diese flächigen Strukturen für die röntgenographische Untersuchung nicht nachweisbar sind.
5 zeigt eine Perspektivansicht des Bauteils 10 vor seiner Verformung, wobei innen liegende Bindefehler 18 schematisch vergrößert dargestellt sind. Der vergrößerte Ausschnitt entspricht dabei dem in 4 gezeigten Detail V. Man erkennt, dass die Bindefehler 18 im Wesentlichen senkrecht zur Bauteilhauptachse B bzw. parallel zum Schichtaufbau angeordnet sind und damit von der Seite betrachtet praktisch kein Volumen besitzen und dementsprechend praktisch nicht mit den Röntgenstrahlen wechselwirken.
In einem folgenden Schritt wird das Bauteil 10 analog zu einem Zugversuch entlang seiner Bauteilhauptachse B um etwa 10 % gedehnt, wodurch es sich plastisch verformt. 6 zeigt hierzu eine Perspektivansicht des Bauteils 10 nach seiner Verformung. Man erkennt in der schematischen Vergrößerung, dass sich die innen liegenden Bindefehler 18 durch die Dehnung zu Kavitäten geöffnet haben. Da die Dehnung zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Lage der Bindefehler 18 bzw. in Richtung der Bauteilhauptachse B erfolgt ist, erstrecken sich die Kavitäten 18 in alle Raumrichtungen und können damit mit Hilfe von Durchstrahlungsprüfungen zerstörungsfrei detektiert werden.
7 zeigt eine computertomographische Aufnahme des gedehnten Bauteils 10 und wird im Folgenden in Zusammenschau mit 8 und 9 erläutert werden. 8 zeigt dabei eine vergrößerte Darstellung des in 7 markierten Bereichs VIII, während 9 eine schematische Darstellung des in 7 markierten Bereichs VIII zeigt, in welchem Bindefehler 18 und Gefügefehler 20 markiert sind. Die Bindefehler 18 wurden dabei im Rahmen der Durchstrahlungsprüfung nach der Verformung des Bauteils 10 ermittelt, während die Gefügefehler 20 mit Hilfe eines Kamerasystems (nicht gezeigt) der zur Herstellung des Bauteils 10 verwendeten Laserschmelzvorrichtung dokumentiert wurden. Als Kamerasystem wurde dabei eine optische Tomographieeinrichtung verwendet, welche in der Lage ist, Schichtbilder zu akquirieren, die einen Energieeintrag in die jeweilige Bauteilschicht charakterisieren. Durch eine an sich bekannte Auswertung der Schichtbilder können dann die Gefügefehler 20 identifiziert werden.
10 zeigt zur Verdeutlichung exemplarisch eine computertomographische Aufnahme einer einzelnen Bauteilschicht mit zwei Bindefehlern 18, während 11 ein mittels optischer Tomographie (OT) akquiriertes Schichtbild der in 10 gezeigten Schicht des Bauteils 10 zeigt.
Durch Korrelation des OT-Schichtbilds mit den Messwerten bzw. Fehlergrößen der computertomographischen Untersuchung wird ein Prüfdatensatz generiert und gespeichert, mit dessen Hilfe OT-Schichtbilder und dergleichen computer- bzw. rechnerbasiert auch ohne zusätzliche Durchstrahlungsprüfung zuverlässig und zerstörungsfrei online auf das Vorhandensein von Bindefehlern 18 hin ausgewertet werden können. Weiterhin kann eine Beurteilung aufgefundener Bindefehler 18 vorgenommen werden, so dass das Bauteil 10 in Abhängigkeit der Kritikalität bereits vor der generativen Fertigstellung verworfen oder durch Anpassung der Prozessparameter des Schichtbauverfahrens in der oder den nachfolgenden Schichten umgehend repariert werden kann.
Mit Hilfe des beschriebenen Prüfverfahrens ist es im Unterschied zum Stand der Technik nicht notwendig, tausende von zeit- und kostenaufwendigen Schliffproben (Metallographie) durchzuführen. Damit kann der Zeit- und Kostenaufwand für die Prüfung auf Bindefehler dramatisch reduziert werden. Zusätzlich ist es mit Hilfe des zerstörungsfreien Prüfverfahrens und des darüber generierten Prüfdatensatzes möglich, optische Tomographieeinrichtungen und ähnliche Kamerasysteme für abweichende generative Vorrichtungen bzw. Verfahren, abweichende Werkstoffe und/oder geänderte Prozessparameter zu qualifizieren.
Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen – beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen – als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
12: Röntgenquelle
14: Röntgendetektor
16: Poren
18: Bindefehler
20: Gefügefehler
B: Bauteilhauptachse

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

DIN 50125 [0008]
DIN 50125 [0033]
DIN 50125 [0033]

Claims

Verfahren zum Prüfen eines Bauteils (10), umfassend zumindest die Schritte: a) Herstellen des Bauteils (10) durch ein additives Schichtbauverfahren; b) plastisches Verformen des Bauteils (10); c) Untersuchen des verformten Bauteils (10) mittels einer Durchstrahlungsprüfung; und d) Ermitteln von Bindefehlern (18) anhand von im Rahmen der Durchstrahlungsprüfung ermittelten Messwerten des Bauteils (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) aus einem Werkstoff hergestellt wird, der Metall, keramische Werkstoffe und/oder Kunststoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) zylinderförmig oder als Zugprobe ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) vor Schritt b) insbesondere spanend nachbearbeitet und/oder mittels einer Durchstrahlungsprüfung untersucht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) in Schritt b) gedehnt wird, insbesondere in Richtung einer Bauteilhauptachse (B) und/oder senkrecht zu einer Schichtebene des Schichtbauverfahrens.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Durchstrahlungsprüfung eine radiographische, insbesondere eine computertomographische Untersuchung des Bauteils (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt a) mindestens ein Schichtbild des Bauteils (10) mittels eines Kamerasystems akquiriert wird, wobei das Schichtbild einen Energieeintrag in eine Bauteilschicht charakterisiert.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Kamerasystem eine optische Tomographieeinrichtung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Recheneinrichtung die im Rahmen der Durchstrahlungsprüfung ermittelten Messwerte des Bauteils (10) und das wenigstens eine mittels des Kamerasystems akquirierte Schichtbild korreliert und als Bindefehler (18) charakterisierender Prüfdatensatz in einer Speichereinrichtung gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfdatensatz (18) zusätzlich wenigstens einen Parameter aus der Gruppe Gerätetyp, Werkstoff und Prozessparameter des Schichtbauverfahrens charakterisiert.
Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils (10) durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend ein Kamerasystem, mittels welchem während des Schichtbauverfahrens mindestens ein Schichtbild des Bauteils (10) akquirierbar ist, wobei das Schichtbild einen Energieeintrag in eine Bauteilschicht charakterisiert, dadurch gekennzeichnet, dass diese – eine Speichereinrichtung, welche einen Bindefehler charakterisierenden Prüfdatensatz umfasst, wobei der Prüfdatensatz durch Korrelation von mittels einer Durchstrahlungsprüfung ermittelten Messwerten des Bauteils (10) mit wenigstens einem mittels eines Kamerasystems akquirierten Schichtbilds erhalten ist; und – eine mit dem Kamerasystem und der Speichereinrichtung gekoppelte Recheneinrichtung umfasst, wobei die Recheneinrichtung dazu ausgebildet ist, das wenigstens eine Schichtbild unter Berücksichtigung des Prüfdatensatzes auf das Vorhandensein von wenigstens einem Bindefehler (18) zu prüfen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfdatensatz mittels eines Verfahrens nach Anspruch 9 oder 10 ermittelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine additive Lasersinter- und/oder Laserschmelzeinrichtung zum Durchführen des additiven Schichtbauverfahrens umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kamerasystem eine optische Tomographieeinrichtung und/oder eine Kamera mit einer Auflösung von mindestens 4 Megapixeln und/oder eine Kamera mit einem Dynamikumfang von mindestens 14 Bit und/oder eine Kamera mit einer spektralen Empfindlichkeit im sichtbaren und/oder infraroten Bereich umfasst.
Speichereinrichtung für eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, welche einen Bindefehler charakterisierenden Prüfdatensatz umfasst, der mittels eines Verfahrens nach Anspruch 9 oder 10 ermittelt ist.