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Die Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren.
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Additive Schichtbauverfahren bezeichnen Prozesse, bei denen anhand eines virtuellen Modells eines herzustellenden Bauteils oder Bauteilbereichs Geometriedaten ermittelt werden, welche in Schichtdaten zerlegt werden (sog. „slicen“). Abhängig von der Geometrie des Modells wird eine Belichtungsstrategie bestimmt, gemäß welcher die selektive Verfestigung eines Werkstoffs erfolgen soll. Neben der Anzahl und Anordnung von Belichtungsvektoren, zum Beispiel Streifenbelichtung, Islandstragie etc., umfasst die Belichtungsstrategie weitere Prozessparameter wie beispielsweise die Leistung eines zum Verfestigen zu verwendenden Hochenergiestrahls sowie die Unterteilung in sogenannte Up-, In- und Downskinbereiche. Gemäß der Belichtungsstrategie wird dann der gewünschte Werkstoff schichtweise abgelagert und selektiv mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls verfestigt, um den Bauteilbereich additiv aufzubauen. Damit unterscheiden sich additive bzw. generative Herstellungsverfahren von konventionellen abtragenden oder urformenden Fertigungsmethoden. Beispiele für additive Herstellungsverfahren sind generative Lasersinter- bzw. Laserschmelzverfahren, die zur Herstellung von Bauteilen für Strömungsmaschinen wie Flugtriebwerke verwendet werden können. Beim selektiven Laserschmelzen werden dünne Pulverschichten des oder der verwendeten Werkstoffe auf eine Bauplattform aufgebracht und mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen lokal im Bereich einer Aufbau- und Fügezone 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 bzw. der fertige Bauteilbereich erhalten wird. Das Bauteil kann anschließend bei Bedarf weiterbearbeitet oder ohne weitere Bearbeitungsschritte verwendet werden. Beim selektiven Lasersintern wird das Bauteil in ähnlicher Weise durch laserunterstütztes Sintern von pulverförmigen Werkstoffen hergestellt.
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In additiven Schichtbauverfahren können allerdings Materialfehler wie beispielsweise Risse, Poren, Bindefehler und dergleichen auftreten. Reagiert man nicht sofort im Prozess auf diese Materialstörung, sondern setzt den Aufbau einfach fort, verbleibt der Fehler im Material und das Bauteil wird zu Ausschuss, sofern der Fehler zu einem unzulässigen Qualitätsmangel führt. Allerdings können während des lokalen Verfestigens einer Bauteilschicht auftretende Qualitätsprobleme nicht immer zuverlässig erkannt werden, so dass etwaige Qualitätsmängel bis zur Fertigstellung des Bauteils bzw. Bauteilbereichs unentdeckt bleiben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Schichtbauverfahren und eine Schichtbauvorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass eine zuverlässigere Vermeidung von Qualitätsmängeln ermöglicht ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Speichermedium mit einem Programmcode anzugeben, welcher eine entsprechende Steuerung einer solchen Schichtbauvorrichtung sicherstellt.
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Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Schichtbauverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 sowie durch ein Speichermedium gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine. Das Schichtbauverfahren umfasst zumindest die Schritte a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform, b) lokales Verfestigen des Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Belichten des Werkstoffs mit wenigstens einem Energiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie, c) Schichtweises Absenken der Bauplattform um eine vordefinierte Schichtdicke und d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs. Eine verbesserte Vermeidung von Qualitätsmängeln ist erfindungsgemäß dadurch geschaffen, dass mittels eines Überwachungssystems geprüft wird, ob ein Qualitätsmangel in wenigstens einer unterhalb einer aktuellen Bauebene liegenden Bauteilschicht vorliegt, wobei, wenn ein Qualitätsmangel festgestellt wird, wenigstens ein weiterer lokaler Verfestigungsschritt e) als Korrekturzwischenschritt ausgeführt wird, in welchem der bereits verfestigte Werkstoff (W) zumindest im Bereich des festgestellten Qualitätsmangels mit wenigstens einem Energiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie selektiv bestrahlt wird. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels des Überwachungssystems geprüft wird, ob unterhalb der aktuellen Bauebene ein qualitätsmindernder Defekt im bereits verfestigten Werkstoff vorliegt. Falls ein solcher Qualitätsmangel erkannt wird, wird ein zusätzlicher Korrektur- oder Reparaturschritt e) in den die drei wiederkehrende Schritte Beschichten (Schritt a)), Verfestigen (Schritt b)) und Positionieren (Schritt c)) umfassenden Schichtbauprozessablauf eingefügt. In diesem zusätzlichen Verfestigungsschritt e) wird der bereits additiv aufgebaute Teil des herzustellenden Bauteils zumindest im Bereich der vom Qualitätsmangel betroffenen Stelle erneut mit einem Energiestrahl beaufschlagt und durch Umschmelzen und/oder Versintern erneut verfestigt. Hierdurch ist es möglich, Qualitätsmängel, die während der Herstellung der defizienten Bauteilschicht nicht erkannt wurden, zu einem späteren Zeitpunkt, nämlich wenn 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr weitere Bauteilschichten bereits additiv über der defizienten Bauteilschicht aufgebaut wurden, zu erkennen und zu korrigieren. Hierdurch können ein zumindest weitgehend oder vollständig fehlerfreies Bauteil sichergestellt und Ausschuss und Prüfzeiten vorteilhaft reduziert werden. Das Überwachungssystem kann zur Prüfung generell jede Einrichtung nutzen, die sich zur Prüfung eines zur Erkennung von Qualitätsmängeln ausreichend großen Bereiches unterhalb der aktuellen Bauebene bzw. innerhalb eines bereits aufgebauten Teils eines herzustellenden Bauteils eignet. Generell sind „ein/eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können „ein/eine“ auch als „nur ein/nur eine“ verstanden werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Prüfen mittels des Überwachungssystems das Ermitteln eines Abstands des Qualitätsmangels von der aktuellen Bauebene und/oder das Ermitteln, um wie viele Schichten die wenigstens eine Bauteilschicht, in welcher ein Qualitätsmangel festgestellt wurde, unterhalb der aktuellen Bauebene liegt, umfasst. Mit anderen Worten wird im Rahmen der Prüfung die Position des Qualitätsmangels innerhalb des bereits additiv aufgebauten Teils des herzustellenden Bauteils bezogen auf die aktuelle Bauebene ermittelt. Die Position des Qualitätsmangels wird vorzugsweise über die Anzahl an Schichten, welche die defiziente Schicht unterhalb der aktuellen Bauebene liegt, charakterisiert. Beispielsweise kann ein Bindefehler als Qualitätsmangel als 3 Schichten unterhalb der aktuellen Bauebene liegend charakterisiert werden. Generell sind aber auch andere geeignete Charakterisierungsformen möglich, beispielsweise ein Abstandswert oder -vektor. Dies erlaubt eine präzise Lokalisierung des den Qualitätsmangel verursachenden Defekts und eine entsprechend zuverlässige Reparatur bzw. Korrektur.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Belichtungsstrategie des Energiestrahls im Verfestigungsschritt e) derart eingestellt wird, dass eine Einwirktiefe des Energiestrahls in den bereits verfestigten Werkstoff ausreicht, um den Werkstoff zumindest im Bereich des festgestellten Qualitätsmangels aufzuschmelzen und/oder zu versintern. Mit anderen Worten müssen die Betriebsparameter zur Erzeugung des Energiestrahls und zum Lenken des Energiestrahls auf den betreffenden Bauteilbereich so gewählt werden, dass die Einwirktiefe, das heißt beispielsweise im Fall eines schmelzschweißbaren Werkstoffs die Einschweißtiefe, des Energiestrahls zumindest die Tiefe des oder der qualitätsmindernden Defekte im fertiggestellten Teil des herzustellenden Bauteils erreicht. Dies erlaubt eine besonders zuverlässige Korrektur bzw. Reparatur unterschiedlicher Binde- und Fügefehler.
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Eine besonders zuverlässige Korrektur bzw. Reparatur des bereits additiv aufgebauten Teils des herzustellenden Bauteils wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erreicht, dass die Belichtungsstrategie des Energiestrahls im Verfestigungsschritt e) derart eingestellt wird, dass die Einwirktiefe des Energiestrahls in den bereits verfestigten Werkstoff mehr als der ermittelte Abstand des Qualitätsmangels von der aktuellen Bauebene beträgt und/oder mindestens eine Schicht tiefer reicht als die Bauteilschicht, in welcher der Qualitätsmangel festgestellt wurde. Wenn also beispielsweise ein Qualitätsmangel festgestellt wurde, der in einem bestimmten Bereich 3 cm bzw. 3 Schichten unterhalb der aktuellen Bauebene liegt, wird der Energiestrahl im Verfestigungsschritt e) derart erzeugt, dass er eine Einwirktiefe von mehr als 3 cm bzw. von mehr als 3 Schichten besitzt. Beispielsweise kann der Energiestrahl im Fall eines schmelzschweißbaren Werkstoffs mit einer Einschweißtiefe von 3,5 cm oder mehr bzw. von 4 Schichten oder mehr erzeugt werden, um den qualitätsmindernden Defekt zu beheben.
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Weitere Vorteile ergeben sich, indem mittels des Überwachungssystems vor, während und/oder nach Schritt b) auf das Vorhandensein des Qualitätsmangels in der wenigstens einen unterhalb einer aktuellen Bauebene liegenden Bauteilschicht geprüft wird. Anders ausgedrückt kann die Prüfung auf unterhalb der aktuellen Bauebene liegende Qualitätsmängel generell zu einem beliebigen Zeitpunkt eines Schichtaufbaudurchgangs der Schritte a) bis c) erfolgen, wobei eine Prüfung nach Schritt b) bevorzugt ist. Insbesondere bei großflächigen Bauteilschichten kann aber auch bereits vor und/oder während Schritt b) mit der Prüfung auf Qualitätsmängel begonnen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels des Überwachungssystems erst nach der Herstellung von mindestens 3 Bauteilschichten auf das Vorhandensein eines Qualitätsmangels in wenigstens einer unterhalb einer aktuellen Bauebene liegenden Bauteilschicht geprüft wird. Anders gesagt wird während der Herstellung der ersten 3, 4, 5 oder mehr Bauteilschichten keine Prüfung auf Qualitätsmängel durchgeführt. Hierdurch werden Fehlmessungen und unnötige Verzögerungen des Schichtbauverfahrens vermieden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels des Überwachungssystems ein Erfolg des Verfestigungsschritts e) geprüft wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass das Ergebnis des etwaigen Verfestigungsschritts e) kontrolliert und auf das Erreichen des gewünschten Ergebnisses bzw. der gewünschten Qualitätssteigerung hin überprüft wird. Falls das gewünschte Qualitätskriterium auch nach dem Verfestigungsschritt e) nicht oder nicht in ausreichendem Maße erreicht wurde, wird der Verfestigungsschritt e) vorzugsweise wiederholt, wodurch auch gravierende Qualitätsmängel sowie Qualitätsmängel, die durch den Verfestigungsschritt e) selbst verursacht werden, zuverlässig erkannt und gegebenenfalls einer ein- oder mehrfach wiederholten Reparatur bzw. Korrektur unterzogen werden können.
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Weitere Vorteile ergeben sich, indem das Schichtbauverfahren abgebrochen wird, wenn eine vorgegebene Anzahl an Wiederholungen des Verfestigungsschritts e) erreicht oder überschritten ist und/oder wenn die Prüfung mittels des Überwachungssystems einen nicht behebbaren Qualitätsmangel ergibt. Damit wird das Schichtbauverfahren abgebrochen, wenn auch eine ein- oder mehrmalige Wiederholung des erneuten Verfestigungsschritts e) nicht das gewünschte Ergebnis bzw. die gewünschte Mindestqualität erbringen konnte und/oder wenn der ermittelte Qualitätsmangel eine erfolgreiche Reparatur oder Korrektur von vornherein aussichtslos oder zumindest sehr unwahrscheinlich macht. Hierdurch kann zumindest vermieden werden, dass ein fehlerhaftes Bauteil unnötiger Weise fertiggebaut wird.
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Weitere Vorteile ergeben sich, indem das Prüfen mittels des Überwachungssystems die Prüfung auf wenigstens einen Qualitätsmangel aus der Gruppe Rissbildung, Porenbildung und Bindefehler umfasst. Hierdurch kann auf das Vorliegen der überwiegenden Qualitätsmängel geprüft werden, was zu einer entsprechenden Reduzierung von Ausschuss führt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Überwachungssystem mittels einer Wärmebildkamera und/oder einer optischen Tomographieeinrichtung (OT) und/oder einer Wirbelstromprüfung und/oder einer durchleuchtenden Untersuchungseinrichtung, insbesondere durch Computertomographie, auf das Vorhandensein des Qualitätsmangels prüft. Hierdurch kann das Überwachungssystem eine flexible und zuverlässige Prüfung auf Qualitätsmängel unterhalb der aktuellen Bauebene durchführen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Energiestrahl im Verfestigungsschritt e) mit Hilfe einer Reparaturstrahlungsquelle erzeugt wird. Mit anderen Worten wird für die Durchführung des weiteren Verfestigungsschritts e) nicht oder nicht ausschließlich eine ohnehin für den Schichtaufbau bzw. für die Durchführung von Schritt b) vorhandene Strahlungsquelle, sondern eine separate Reparaturstrahlungsquelle verwendet, welche vorzugsweise mit für die Durchführung des Verfestigungsschritts e) optimierten Betriebsparametern, die sich von den in Schritt b) verwendeten Betriebsparametern unterscheiden können, betrieben wird. Dies erlaubt eine schnellere und zuverlässige Durchführung des zur Korrektur bzw. Reparatur dienenden Verfestigungsschritts e).
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren. Die Schichtbauvorrichtung umfasst mindestens eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf eine Aufbau- und Fügezone einer bewegbaren Bauplattform, mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Belichten des Werkstoffs gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie und eine Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgebildet, die Pulverzuführung in einem Schritt a) so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulverschicht des Werkstoffs auf die Aufbau- und Fügezone der Bauplattform aufträgt, die Strahlungsquelle in einem Schritt b) so zu steuern, dass diese den Energiestrahl erzeugt und den Werkstoff zum Ausbilden der Bauteilschicht schichtweise und lokal gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie durch selektives Belichten verfestigt, und die Bauplattform in einem Schritt c) schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abzusenken. Eine zuverlässigere Vermeidung von Qualitätsmängeln ist erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass die Schichtbauvorrichtung ein Überwachungssystem umfasst, welches zum Datenaustausch mit der Steuereinrichtung gekoppelt und dazu ausgebildet ist, auf das Vorliegen eines Qualitätsmangels in wenigstens einer unterhalb einer aktuellen Bauebene liegenden Bauteilschicht zu prüfen, wonach das Überwachungssystem, wenn ein Qualitätsmangel festgestellt wird, wenigstens eine Komponente der Schichtbauvorrichtung derart steuert, dass diese Komponente wenigstens einen weiteren lokalen Verfestigungsschritt e) als Korrekturzwischenschritt ausführt, in welchem der bereits verfestigte Werkstoff (W) zumindest im Bereich des festgestellten Qualitätsmangels mit wenigstens einem Energiestrahl gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie selektiv bestrahlt wird. In diesem zusätzlichen Verfestigungsschritt e) wird also der bereits additiv aufgebaute Teil des herzustellenden Bauteils zumindest im Bereich der vom Qualitätsmangel betroffenen Stelle erneut mit einem Energiestrahl beaufschlagt und durch Umschmelzen und/oder Versintern erneut verfestigt. Hierdurch ist es möglich, Qualitätsmängel, die während der Herstellung der defizienten Bauteilschicht nicht erkannt wurden, zu einem späteren Zeitpunkt, nämlich wenn 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr weitere Bauteilschichten bereits additiv über der defizienten Bauteilschicht aufgebaut wurden, zu erkennen und zu korrigieren. Hierdurch können ein zumindest weitgehend oder vollständig fehlerfreies Bauteil sichergestellt und Ausschuss und Prüfzeiten vorteilhaft reduziert werden. Das Überwachungssystem kann zur Prüfung generell jede Einrichtung nutzen, die sich zur Prüfung eines zur Erkennung von Qualitätsmängeln ausreichend großen Bereiches unterhalb der aktuellen Bauebene bzw. innerhalb eines bereits aufgebauten Teils des herzustellenden Bauteils eignet. Als Komponente zum Durchführen des Verfestigungsschritts e) kann das Überwachungssystem mittelbar, beispielsweise über die Steuereinrichtung, oder unmittelbar die ohnehin vorhandene Strahlungsquelle der Schichtbauvorrichtung entsprechend steuern und/oder regeln. Alternativ oder zusätzlich kann das Überwachungssystem eine speziell für den Verfestigungsschritt e) vorgesehene Reparaturstrahlungsquelle mittelbar oder unmittelbar steuern und/oder regeln. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, in einem Schritt d) die Schritte a) bis c) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs zu wiederholen, wobei in einem, mehreren oder allen Verfahrensdurchgängen a) bis d) bedarfsweise vor, während und/oder nach wenigstens einem der Schritte a) bis c) der Verfestigungsschritt e) durchgeführt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schichtbauvorrichtung als selektive Lasersinter- und/oder -schmelzvorrichtung ausgebildet ist. Hierdurch können Teilbereiche hergestellt werden, deren mechanischen Eigenschaften zumindest im Wesentlichen denen des Bauteilwerkstoffs entsprechen. Zur Erzeugung eines Laserstrahls kann beispielsweise ein CO2-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Laserstrahlen verwendet werden. In Abhängigkeit des Bauteilwerkstoffs und der Belichtungsstrategie kann es beim Belichten zu einem Aufschmelzen und/oder zu einem Versintern des Pulvers kommen, so dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Verschweißen“ auch „Versintern“ und umgekehrt verstanden werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Überwachungssystem mit einem Datenspeicher gekoppelt ist, mittels welchem wenigstens ein Qualitätskriterium zur Bewertung des Qualitätsmangels gespeichert ist. Hierdurch ist es möglich, das Qualitätsmangel beispielsweise anhand eines Master- oder Referenzmodells zu bewerten. Auf der Basis der Bewertung können dann optimalen Parameter für den Verfestigungsschritt e) bestimmt werden. Sollte der Qualitätsmangel ein bestimmtes Grenzkriterium verletzen, sodass eine Korrektur oder Reparatur der betreffenden Stelle unwahrscheinlich oder unmöglich erscheint oder ist, kann zudem vorgesehen sein, dass das Überwachungssystem generell den Aufbauprozess für das betroffene Bauteil abbricht.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Speichermedium mit einem Programmcode, der dazu ausgebildet ist, bei Ausführen durch eine Steuereinrichtung eine Schichtbauvorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt so zu steuern, dass diese ein Schichtbauverfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt durchführt. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts anzusehen sind und umgekehrt.
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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. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische seitliche Schnittansicht eines in einem Schichtbauverfahren additiv hergestellten Bauteils;
- 2 eine schematische Aufsicht einer aktuellen Bauebene, wobei eine Prüfung auf Qualitätsmängel stattfindet; und
- 3 eine schematische seitliche Schnittansicht des Bauteils während eines Verfestigungsschritts zur Behebung eines unterhalb der aktuellen Bauebene liegenden Qualitätsmangels.
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1 zeigt eine schematische seitliche Schnittansicht eines in einem Schichtbauverfahren additiv hergestellten Bauteils 10, bei dem es sich beispielsweise um ein Bauteil 10 einer thermischen Gasturbine bzw. eines Flugtriebwerks handeln kann. Das Schichtbauverfahren umfasst die Schritte a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht P eines pulverförmigen Werkstoffs W auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone I einer bewegbaren Bauplattform 12, b) lokales Verfestigen des Werkstoffs W zum Ausbilden einer Bauteilschicht 14 durch selektives Belichten des Werkstoffs W mit wenigstens einem Energiestrahl E gemäß einer vorbestimmten Belichtungsstrategie und c) Schichtweises Absenken der Bauplattform 12 um eine vordefinierte Schichtdicke. Die Schritte a) bis c) werden gemäß einem Schritt d) bis zur Fertigstellung des Bauteils 10 wiederholt. Bei dem Energiestrahl E kann es sich beispielsweise um einen Laser- und/oder Elektronenstrahl handeln, mittels welchem der Werkstoff lokal aufgeschmolzen und/oder versintert wird. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass das Schichtbauverfahren mit Hilfe einer als selektive Lasersinter- und/oder -schmelzvorrichtung ausgebildeten Schichtbauvorrichtung (nicht gezeigt) durchgeführt wird.
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Im Schichtbauverfahren (Selective Laser Melting Process, SLM Prozess) können Materialfehler wie Risse, Poren und Bindefehler auftreten, was zu Qualitätsmängeln Q führt. Verschiedene Prüftechniken bieten grundsätzlich die Möglichkeit, diese Fehler zu detektieren. So kann beispielsweise durch thermographische Verfahren eine Materialtrennung (Bindefehler) wenige Bauteilschichten 14 (etwa <5 bis 10 Bauteilschichten 14) unterhalb der aktuellen Bauebene B gefunden werden. Auch andere Verfahren wie beispielsweise Wirbelstromprüfungen zur Detektion von Rissen oder (online) Röntgen-CT Verfahren eigenen sich zur Untersuchung und Prüfung von Bauteilschichten 14 unterhalb der aktuellen Bauebene B.
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Reagiert man jedoch nicht sofort im Prozess auf etwaige Materialstörung und Qualitätsmängel Q, sondern setzt den Aufbau einfach fort, verbleibt der entsprechende Fehler im Bauteil 10 und das Bauteil 10 wird zu Ausschuss, sofern der Fehler zu einem nicht tolerierbaren Qualitätsmangel Q führt. Um ein qualitativ einwandfreies Bauteil 10 herzustellen, wird daher vorliegend mittels eines Überwachungssystems 16 geprüft, ob ein Qualitätsmangel Q in wenigstens einer unterhalb einer aktuellen Bauebene B liegenden Bauteilschicht 14 vorliegt. 2 zeigt hierzu eine schematische Aufsicht der aktuellen Bauebene B, wobei eine Prüfung auf Qualitätsmängel Q stattfindet. Wird ein tatsächlicher Qualitätsmangel Q im Werkstoff W wenige Bauteilschichten 14 unterhalb der aktuellen Bauebene B detektiert, wird als Reparaturschritt ein zusätzlicher Verfestigungsschritt e) in den aus den drei wiederkehrenden Schritten (Beschichten a), Verfestigen bzw. Belichten b), Positionieren c)) bestehenden Schichtbauprozessablauf eingefügt. Dies kann für jeden oder nur für manche Verfahrensdurchgänge a) bis c) erfolgen.
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3 zeigt zur Verdeutlichung eine schematische seitliche Schnittansicht des Bauteils 10 während des zusätzlichen Verfestigungsschritts e) zur Behebung eines unterhalb der aktuellen Bauebene B liegenden Qualitätsmangels Q. In diesem Verfestigungsschritt e) wird die betroffene, mit Pfeil III gekennzeichnete Stelle des Bauteils 10 erneut lokal umgeschmolzen oder versintert. Eine vollständige Umschmelzung einzelner Bauteilschichten 14 wird vermieden. Zum erneuten Umschmelzen oder Versintern kann eine ohnehin vorhandene Strahlungsquelle (nicht gezeigt) für den Verfestigungsschritt b) verwendet werden, die gegebenenfalls mit angepassten Parametern auch zur Durchführung des lokalen Verfestigungsschritts e) betrieben wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Reparaturstrahlungsquelle (nicht gezeigt) verwendet werden, welche die zur Durchführung des lokalen Verfestigungsschritts e) erforderlichen Eigenschaften besitzt. Generell wird der Energiestrahl E durch geeignete Wahl der Betriebsparameter so erzeugt, dass die Eindring- bzw. Einschweißtiefe des Energiestrahls E zumindest die Tiefe des Defekts bzw. Qualitätsmangels Q erreicht, um den fehlerhaft verfestigten Werkstoff W zu reparieren. Wird beispielsweise ein Bindefehler drei Bauteilschichten 14 unterhalb der aktuellen Bauebene B detektiert, erfolgt die Reparatur durch den Verfestigungsschritt e) durch lokales Aufschmelzen des Bauteils 10 bis mindestens in eine Tiefe von mindestens vier Bauteilschichten 14, um den Fehler zu beheben. Wenn der Qualitätsmangel Q behoben wurde, kann der Schichtbauprozess normal fortgesetzt werden.
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Der Erfolg des Verfestigungsschritts e) kann ebenfalls mit Hilfe des Überwachungssystems 16 oder durch eine andere geeignete Komponente der Schichtbauvorrichtung geprüft werden. Gegebenenfalls kann der Verfestigungsschritt e) ein- oder mehrmals wiederholt werden, wenn der Qualitätsmangel Q nicht oder nicht ausreichend behoben wurde. Falls das Überwachungssystem 16 bei einer grundsätzlich optionalen Beurteilung des Qualitätsmangels Q feststellt, dass der diesem zugrunde liegende Defekt nicht behebbar ist, bricht es den Schichtbauprozess ab. Der Schichtbauprozess kann auch abgebrochen werden, wenn eine vorbestimmte Anzahl an zusätzlichen Verfestigungsschritten e) erreicht oder überschritten wurde, ohne dass der Qualitätsmangel Q in ausreichendem Maße behoben wurde.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauteil
- 12
- Bauplattform
- 14
- Bauteilschicht
- 16
- Überwachungssystem
- W
- Werkstoff
- P
- Pulverschicht
- B
- Bauebene
- Q
- Qualitätsmangel
- E
- Energiestrahl
- I
- Aufbau- und Fügezone
- III
- Bereich
