-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialdiagnose in der additiven Fertigung eines Bauteils und ein entsprechendes Computerprogramm.
-
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer Gasturbine, vorgesehen. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Nickelbasis- oder Superlegierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung. Die Legierung kann ausscheidungsgehärtet, mischkristallgehärtet oder entsprechend härtbar sein.
-
Generative oder additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Ebenso gehört das Laserauftragschweißen (LMD) zu den additiven Verfahren.
-
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielsweise bekannt aus
EP 2 601 006 B1 .
-
Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufacturing“) haben sich als besonders vorteilhaft für komplexe oder kompliziert oder filigran designte Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils direkt auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei erfolgen kann.
-
Weiterhin ist die additive Fertigung besonders vorteilhaft für die Entwicklung oder Herstellung von Prototypen, welche beispielsweise aus Kostengründen mittels konventioneller subtraktiver oder spanender Verfahren oder Gusstechnologie nicht oder nicht effizient hergestellt werden können.
-
In der additiven Herstellung von Bauteilen besteht ein großer Bedarf, die entsprechenden Herstellungsverfahren beherrschbarer und reproduzierbar(er) zu machen.
-
Insbesondere in der additiven Herstellung von Metallkomponenten ganz besonders von hochtemperaturbelasteten Bauteilen sind aufgrund der hohen beteiligten Temperaturgradienten von beispielsweise selektiven Strahlschmelzverfahren die Struktureigenschaften der beteiligten Materialien schwer zu kontrollieren. Es besteht daher in dem beschriebenen technologischen Feld ein Bedarf, Verfahren der Material- oder Strukturdiagnose zu entwickeln, um die additiven Verfahren unter definierten oder gegebenen Material- oder Struktureigenschaften beherrschbarer zu machen.
-
Ein wichtiges Mittel, um beispielsweise die Materialstruktur oder -qualität einer mittels Laser verfestigten Materialschicht oder -spur zu überwachen, ist die Vermessung oder Erfassung der entsprechenden verfestigten Materialphase, insbesondere einer Schmelzspur des Materials, welche durch das während der additiven Herstellung hergestellte Schmelzbad hervorgeht.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, entsprechende Mittel zur Materialdiagnose anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialdiagnose in der additiven Fertigung oder Herstellung, umfassend das schichtweise Aufbauen einer Hilfsstruktur, beispielsweise einer fertigungsbegleitenden Probe, während des additiven Aufbaus des eigentlich zu fertigenden Bauteils, insbesondere durch ein selektives Schmelzverfahren wie selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, wobei die Hilfsstruktur mit demselben Verfahren und vorzugsweise unter denselben oder korrelierten Verfahrensparametern aufgebaut wird, und wobei die Hilfsstruktur weiterhin in vorbestimmten Abständen entlang einer Aufbaurichtung mit einer Stufe versehen wird, sodass die Hilfsstruktur entlang der Aufbaurichtung eine Mehrzahl von freiliegenden, vorzugsweise horizontalen, Oberflächen aufweist.
-
Das Verfahren umfasst weiterhin das Erfassen oder Vermessen einer Struktureigenschaft der Hilfsstruktur an mindestens einer der freiliegenden Oberflächen und/oder an entsprechend an diese angrenzenden Kanten oder Stufenflächen.
-
In einer Ausgestaltung umfasst das Erfassen oder Vermessen Verfahren der optischen Mikroskopie, Elektronenmikroskopie oder beispielsweise Rastersondenmikroskopie.
-
Insbesondere die Vermessung der Oberflächen der Hilfsstruktur ermöglicht besonders vorteilhaft die Vermessung der über das Bauteil und/oder die Hilfsstruktur verteilt häufig anisotrope Materialeigenschaften und erlaubt wertvolle Rückschlüsse, mit denen die Reproduzierbarkeit additiver Herstellungstechnologie, insbesondere in der Fertigung von Turbinenteilen verbessert werden kann.
-
Die genannten (freiliegenden) Oberflächen bezeichnen vorliegend vorzugsweise Oberflächen der Hilfsstruktur respektive des Bauteils, welche senkrecht oder annähernd senkrecht zu der Aufbaurichtung ausgerichtet sind.
-
In einer Ausgestaltung wird ein Scanvektor bzw. dessen Ausrichtung für eine aufzubauende Schicht der Hilfsstruktur und/oder des Bauteils parallel zu einer durch die Stufe gebildeten Kante derselben ausgerichtet gewählt.
-
Der Scanvektor definiert vorzugsweise eine Richtung einer Raster- oder Zeilenbewegung eines Bestrahlungsvorgangs eines Ausgangsmaterials für das Bauteil durch einen Laser- oder Elektronenstrahl. Durch diese Ausgestaltung kann besonders zweckmäßig ein verlässlicher Rückschluss der Materialstruktur oder Struktureigenschaft der Hilfsstruktur für das offene Verfahren insgesamt gezogen werden, da der genannte Scanvektor die Lage oder Ausrichtung einer Schmelzspur festlegt.
-
In einer Ausgestaltung werden die Hilfsstruktur und/oder das Bauteil nach dem additiven Aufbau und vor dem Erfassen senkrecht zu einem Scanvektor geschnitten. Dies erlaubt vorteilhafterweise die Freilegung von weiteren (nachträglich zu vermessenden Oberflächen).
-
In einer Ausgestaltung umfasst die Struktureigenschaften die Geometrie eines während des Aufbaus erzeugten Schmelzbades der Hilfsstruktur und/oder des Bauteils.
-
Das Schmelzbad definiert vorzugsweise eine punktuelle flüssige Phase des Ausgangsmaterials durch den Einfluss des Energiestrahls (Laser- oder Elektronenstrahl) während der Bestrahlung oder Belichtung und vor dem Verfestigen für den eigentlichen additiven Aufbau. Dieses Schmelzbad hinterlässt in der fertig verfestigten Komponente bzw. im verfestigten Bauteil vorzugsweise eine Schmelzspur, anhand derer eine Schmelzbadgeometrie ablesbar ist.
-
In einer Ausgestaltung werden eine Tiefe und/oder eine Breite beziehungsweise ein Durchmesser der Schmelzspur des Schmelzbades entlang einer Richtung senkrecht zu dem Scanvektor gemessen. Dies ermöglicht vorteilhafterweise die Erfassung einer wichtigen Information des Schmelzbades. Durch die Kenntnis der Schmelzbadgeometrie können weiterhin wichtige Rückschlüsse über die Materialphasen der hergestellten Schicht und die entsprechende Schmelz- bzw. Verfestigungskinetik gezogen werden. Vorliegend kann die Schmelzbadgeometrie als Struktureigenschaft der Hilfsstruktur, respektive des Bauteils, angesehen werden.
-
In einer Ausgestaltung wird die Hilfsstruktur von dem additiv herzustellenden Bauteil getrennt, jedoch in demselben additiven Herstellungsprozess, aufgebaut. Weiterhin wird die Hilfsstruktur zusammen mit dem Bauteil vorzugsweise auf demselben Substrat aufgebaut.
-
In einer Ausgestaltung wird die Hilfsstruktur zusammen mit dem additiv herzustellenden Bauteil stoffschlüssig verbunden aufgebaut. Durch diese Ausgestaltung ist vorteilhafterweise ein direkter oder direkterer Rückschluss der Struktureigenschaft der Hilfsstruktur auf diejenige des Bauteils möglich.
-
In einer Ausgestaltung ist die Hilfsstruktur eine fertigungsbegleitende Probe oder umfasst diese.
-
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, welches eingerichtet ist, eine Datenverarbeitungseinrichtung anzuweisen, Verfahrensschritte gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, beispielsweise des additiven Herstellens der Hilfsstruktur und/oder des Erfassens der Struktureigenschaft, auszuführen.
-
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren oder das Computerprogramm beziehen, können ferner das additiv hergestellte Bauteil betreffen oder umgekehrt.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
- 1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, welches Verfahrensschritte des vorliegenden Verfahrens andeutet.
- 2 zeigt eine perspektivische schematische Ansicht eines additiv hergestellten Bauteils.
- 3 zeigt eine beispielhafte schematische Schnitt- oder Seitenansicht eines additiv hergestellten Bauteils.
- 4 deutet schematisch die Vermessung einer Schmelzspur der Hilfsstruktur an.
-
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
-
1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, welches Verfahrensschritte des vorliegenden Verfahrens zur Materialdiagnose in der additiven Herstellung andeutet.
-
Verfahrensschritt a) deutet den schichtweisen additiven Aufbau einer Hilfsstruktur, insbesondere einer fertigungsbegleitenden Probe, neben der Struktur des eigentlich additiv herzustellenden Bauteils an.
-
Sowohl das Bauteil als auch die Hilfsstruktur werden vorzugsweise durch ein Strahlschmelzverfahren, besonders bevorzugt selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, aufgebaut bzw. hergestellt.
-
Die Hilfsstruktur wird durch dasselbe Verfahren und vorzugsweise unter denselben Verfahrensparametern aufgebaut, um eine verlässliche Aussage über die Struktureigenschaft des eigentlichen Bauteils treffen zu können (vergleiche unten). Alternativ kann die Hilfsstruktur unter dazu korrelierten oder leicht abgeänderten Verfahrensparametern aufgebaut werden.
-
Eine Korrelation oder Änderung der Verfahrensparameter kann erforderlich sein, um Geometrieabweichungen, vorzugsweise solche der Hilfsstruktur von dem Bauteil relativ zu der Bauplattform, auszugleichen.
-
Weiterhin wird die Hilfsstruktur während des Aufbaus vorzugsweise in vorbestimmten Abständen mit einer Stufe versehen (vergleiche Verfahrensschritt b) und 3), sodass entlang einer Aufbaurichtung AR der Hilfsstruktur eine Mehrzahl von Oberflächen (vergleiche Bezugszeichen 2 in 3) gebildet werden.
-
Verfahrensschritt c) beschreibt ein Schneiden oder Sägen der Hilfsstruktur 1 nach dem additiven Aufbau derselben beziehungsweise des Bauteils 10 und vor dem Erfassen (siehe unten) senkrecht zu einem Scanvektor 5 (vergleiche Bezugszeichen 5 in 4).
-
Verfahrensschritt d) beschreibt das Erfassen oder Vermessen einer Struktureigenschaft der Hilfsstruktur 1 an zumindest einer der genannten freiliegenden Oberflächen 2.
-
Die beschriebenen Verfahrensschritte a), b) und/oder d) und eventuell weitere Verfahrensschritte können mit einem Computerprogramm, beispielsweise über die Ausführung einer Datenverarbeitungseinrichtung 100, durchgeführt werden. Ein solches Computerprogramm kann eine Benutzerschnittstelle aufweisen, über welche ein Benutzer beispielsweise eine Scanrichtung (Scanvektor) abfragen kann, oder eine solche entsprechend kennzeichnen kann. Weiterhin kann das additiv herzustellende oder hergestellte Bauteil mit einer Seriennummer sowie die Kennzeichnung einer laufenden Nummer aufgebauter Schichten („slices“) angezeigt werden.
-
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines vereinfachten Bauteils 10 bzw. einer additiv hergestellten Komponente.
-
Das Bauteil 10 weist eine Oberfläche 2 auf, welche zur Vermessung der Materialstruktur oder Struktureigenschaften herangezogen werden kann.
-
Die oberste aufgebaute oder verfestigte Schicht ist mit entsprechenden Scanvektoren 5 (vergleiche Pfeile) gekennzeichnet, welche beispielsweise eine Zeilenbewegung einer Belichtung oder Bestrahlungseinrichtung (Laser, Elektronenstrahl) andeuten. Es ist weiterhin gezeigt, dass alle Scanvektoren 5 vorliegend vorzugsweise parallel zu einer Seitenkante des Bauteils gewählt sind. Das Bauteil 10 ist quadratisch bzw. quaderförmig geformt.
-
Durch die genannte Parallelität ermöglicht ein entsprechend aufgebautes Bauteil eine einfache Vermessung beispielsweise der Schmelzbadgeometrie oder der Geometrie, insbesondere der Breite und Tiefe, einer Schmelzspur 6 der fertig verfestigten Schicht. An der rechten Vorderseite (Schnitt- oder Seitenansicht) des Bauteils 10 sind Schmelzspuren anhand von kleinen Kreisen (vergleiche 5) angedeutet.
-
Vorzugsweise wird eine zu verfestigende Basismaterialschicht gemäß dem beschriebenen Verfahren mit einer Vielzahl von zueinander parallelen Scanvektoren belichtet und entsprechend verfestigt.
-
Durch die gestrichelte Linie (vergleiche Bezugszeichen 7) ist weiterhin in 2 ein Schnitt beziehungsweise eine Schnittrichtung angedeutet (vergleiche oben). Die Schnittrichtung 7 ist senkrecht zu der Richtung der Scanvektoren 5. Dieser Ausrichtung ermöglicht insbesondere die Erfassung der Struktureigenschaft der Hilfsstruktur anhand eines exakten Querschnitts der Schmelzspur 6.
-
3 zeigt eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Bauteils bzw. einer Hilfsstruktur, wobei das Bauteil (exemplarisch links oben dargestellt) mit mindestens einer zusätzlichen Stufe (vorliegend zwei Stufen) versehen wurde. Dadurch, dass die Hilfsstruktur 1 mit Stufen 3 versehen wurde, weist die Hilfsstruktur 1 zwei weitere vertikale Kanten 4 und zwei weitere freiliegende Oberflächen 2 auf. Vorzugsweise werden diese freiliegenden Oberflächen zur Erfassung der Struktureigenschaft, insbesondere zur Vermessung einer Schmelzspur oder Schmelzbadgeometrie herangezogen. Die Stufen können beispielsweise in vorbestimmten Abständen von vorzugsweise einigen wenigen Millimetern, in dem Aufbau vorgesehen werden. Alternativ kann die Hilfsstruktur 1 noch feiner abgestuft werden um eine Information über die Struktureigenschaft noch feiner aufzulösen.
-
Eine richtige Analyse der Schmelzbadgeometrie wird vorzugsweise anhand eines Schliffbilds durchgeführt. Dazu muss vor der Analyse, bzw. der Erfassung der Struktureigenschaft, Material abgetragen und die Bearbeitungsebene poliert und/oder geäzt werden.
-
Die Vermessung des Schmelzbades bzw. einer Schmelzspur des Bauteils bzw. eines seiner Bauteilschichten ist deswegen schwierig, als dass eine darüberliegende verfestigte Schicht die Information der darunterliegenden Schmelzspur wieder „verwischt“. Daher ist die Freilegung von weiteren Oberflächen für tiefere Rückschlüsse der Struktureigenschaften der Hilfsstruktur (und damit ebenfalls des Bauteils) erforderlich.
-
Durch die Datenverarbeitungseinrichtung 100 (vergleiche 1) bzw. die Computerimplementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Form oder Geometrie der Hilfsstruktur beispielsweise automatisch - und je nach der vom Benutzer geforderten Auflösung - gewählt werden.
-
Durch die Vorsehung der Stufe(n) wird das Bauteil mit weiteren freiliegenden Oberflächen 2 und zwei weiteren Kanten 4 versehen. Anders als dargestellt können auch eine Vielzahl von Kanten, beispielsweise über die gesamte Höhe des Bauteils (vergleiche Aufbaurichtung) hergestellt werden, um über die gesamte Höhe des Bauteils hinweg freiliegende Oberflächen zu generieren, welche zur Erfassung der Struktureigenschaft eines Materials des Bauteils herangezogen werden können.
-
Der Teil des Bauteils, welche die Stufe(n) auffasst, kann als Hilfsstruktur angesehen werden. Die Hilfsstruktur kann, wie vorliegend dargestellt, stoffschlüssig mit dem eigentlichen Bauteil (rechter Teil des Bauteils) versehen werden. In diesem Fall würde dann die Hilfsstruktur - ebenso wie die Bauplattform - nachträglich vom Bauteil getrennt, sodass die Hilfsstruktur analysiert und die entsprechende Struktureigenschaft gemessen werden kann.
-
Der stoffschlüssige Aufbau der Hilfsstruktur 1 mit dem Bauteil 10 hat, trotz einer verlässlichen Information über die Struktureigenschaft, den Nachteil, dass die Hilfsstruktur 1 nachträglich normalerweise wieder aufwendig entfernt werden muss.
-
Alternativ kann die Hilfsstruktur von dem Bauteil getrennt, beispielsweise räumlich oder lateral auf der Bauplattform (vergleiche Bezugszeichen 8) beabstandet, aufgebaut werden. Der von dem eigentlichen Bauteil 10 getrennte Aufbau der Hilfsstruktur 1 ermöglicht vorteilhafterweise noch genügend verlässliche Rückschlüsse über die Struktur, da dasselbe additive Verfahren verwendet wurde. Strukturunterschiede können sich lediglich dadurch einstellen, dass unterschiedliche Positionen auf der Bauplattform 8 gewählt wurden.
-
4 deutet insbesondere eine Vermessung, beispielsweise eine geometrische mikroskopische, elektronenmikroskopische oder rastersondenmikroskopische Vermessung des Schmelzbades an. Alternativ können weitere Mess- oder Mikroskopie-Verfahren zur Messung der Struktureigenschaften herangezogen werden.
-
Speziell zeigt 4 einen Querschnitt benachbarter Schmelzspuren 6, welche auf benachbarte, zueinander parallele Scanvektoren (vergleiche 2) schließen lassen. Dieser Querschnitt oder Durchmesser der Schmelzspuren 6 ist durch die kreisrunden Konturen in der Hilfsstruktur angedeutet. Gemäß dem vorliegenden Verfahren können nun beispielsweise eine Tiefe a und/oder eine Breite b der entsprechenden Schmelzspur (en) 6 gemessen und dadurch wertvolle Rückschlüsse über die Struktureigenschaften der Hilfsstruktur 1 (und damit ebenso für das Bauteil 10) gezogen werden.
-
Insbesondere ist es möglich durch die Erfassung der Struktureigenschaft eine sehr direkte Information über den Energieeintrag, beispielsweise eine Volumen- oder Streckenenergie während der Bestrahlung zu erhalten. Ist der Energieeintrag beispielsweise durch eine verschmutzte Optik oder eine instabile Prozessführung gestört, so wird sich das in einem weniger tiefen Schmelzbad äußern.
-
Es ist im Rahmen des vorliegenden Verfahrens ebenfalls vorgesehen, eine detaillierte chemische Analyse oder Analyse der Materialphasen der Schmelzspur in Kenntnis der genauen Geometrie durchzuführen, womit dann ebenfalls eine Strukturgüte der Hilfsstruktur 1 bzw. des Bauteils 10 erfasst werden kann.
-
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
-
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 Patentliteratur
-
