DE102019122983A1

DE102019122983A1 - Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen, Vorrichtung, Verfahren zur Steuerung und Speichermedium

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Publication number: DE102019122983A1
Application number: DE102019122983.9A
Authority: DE
Inventors: Matthias Goldammer; Hennig Hanebuth; Johannes Casper; Herbert Hanrieder; Martin Leuterer; Sebastian Edelhäuser
Original assignee: EOS GmbH; Siemens AG; MTU Aero Engines AG
Current assignee: EOS GmbH; Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2021-03-04
Also published as: WO2021037522A1; EP3980210A1; CN114364473A; US20220410271A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen 2, bei dem ein pulver- oder drahtförmiger metallischer Werkstoff schichtweise auf eine Plattform 4 aufgetragen, unter Verwendung einer Primärheizeinrichtung 7, insbesondere mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls 14 aufgeschmolzen und unter Verwendung einer Induktionsheizeinrichtung 8 erwärmt wird, die eine Wechselspannungsversorgungseinrichtung 9 mit einem Induktionsgenerator 16 sowie zumindest eine oberhalb der Plattform 4 verfahrbare Induktionsspule 10 aufweist, wobei der Induktionsgenerator 16 derart gesteuert wird, dass er an unterschiedlichen vorgegebenen Positionen der zumindest einen Induktionsspule 10 mit einer unterschiedlichen Leistung betrieben wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, ein Verfahren zur Steuerung und ein Speichermedium.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen, bei dem ein pulver- oder drahtförmiger metallischer Werkstoff schichtweise auf eine Plattform aufgetragen, unter Verwendung einer Primärheizeinrichtung, insbesondere mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls aufgeschmolzen und unter Verwendung einer Induktionsheizeinrichtung erwärmt wird, die eine Wechselspannungsversorgungseinrichtung mit einem Induktionsgenerator sowie zumindest eine oberhalb der Plattform verfahrbare Induktionsspule aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, ein Verfahren zur Steuerung und ein Speichermedium.
Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen sind im Stand der Technik bekannt, wie das selektive Laserschmelzen (SLM, Selective Laser Melting) oder das Plasma-Pulver-Auftragsschweißen (PTA, Plasma Transferred Arc), um nur einige Beispiele zu nennen.
Bei der generativen Fertigung von Bauteilen aus einem pulverförmigen metallischen Werkstoff ist es üblich, dass der pulverförmige metallische Werkstoff schichtweise auf eine Plattform aufgetragen und nach jeder Schichtauftragung unter Verwendung einer Primärheizeinrichtung, beispielsweise mittels eines Laserstrahls im Falle des selektiven Laserschmelzens, in einem Bearbeitungsbereich, der häufig auch als Aufbau- und Fügezone bezeichnet wird, lokal geschmolzen oder gesintert wird, um das Bauteil nach und nach aufzubauen. Als Laserquelle kann beispielsweise ein CO₂-Laser, ein Nd:Yag-Laser, ein Yb-Faserlaser oder ein Diodenlaser eingesetzt werden.
Demgegenüber wird beispielsweise im Falle des Plasma-Pulver-Auftragsschweißens ein pulverförmiger metallischer Werkstoff in einen Plasmastrahl eingedüst und durch diesen aufgeschmolzen, bevor und/oder während er auf eine Plattform aufgetragen wird. Das Prinzip des Aufschmelzens vor dem Auftragen findet oftmals auch bei der Fertigung von Bauteilen aus einem drahtförmigen metallischen Werkstoff Anwendung.
Ebenfalls ist bekannt, dass ein metallischer Werkstoff vor, während und/oder nach seinem Aufschmelzen unter Verwendung einer Induktionsheizeinrichtung erwärmt werden kann. Durch eine induktive Erwärmung des metallischen Werkstoffs vor seinem Aufschmelzen, also ein Vorwärmen, lässt sich beispielsweise eine Heißrissbildung vermeiden. Eine gleichzeitige Erwärmung des metallischen Werkstoffs durch die Primärheizeinrichtung und die Induktionsheizeinrichtung bietet den Vorteil einer erhöhten Heizleistung. Durch eine induktive Erwärmung nach dem Aufschmelzen lässt sich das Abkühlen des metallischen Werkstoffs und/oder Bauteils kontrollieren. Hierdurch kann verhindert werden, dass sich durch ein zu schnelles Abkühlen die metallurgischen Eigenschaften des Bauteils verschlechtern. Insgesamt ermöglicht der Einsatz einer Induktionsheizeinrichtung zusätzlich zu der Primärheizeinrichtung eine bessere Steuerung der Aufheizung und Abkühlung des metallischen Werkstoffs und führt zur Verbesserung der Materialeigenschaften.
Das Grundprinzip von Induktionsheizeinrichtungen beruht darauf, dass eine Induktionsspule durch einen Induktionsgenerator einer Wechselspannungsversorgungseinrichtung mit einer hochfrequenten Wechselspannung versorgt wird, woraufhin sich in der von einem entsprechenden hochfrequenten Wechselstrom durchflossenen Induktionsspule ein magnetisches Wechselfeld aufbaut. Dieses bewirkt wiederum, dass in einem Metall, das sich in der Nähe der Induktionsspule befindet, Wirbelströme induziert werden, die dazu führen, dass sich das Metall erwärmt. Somit wirken Induktionsheizeinrichtungen nur lokal, beschränkt auf einen Bereich rund um den Leiter der Induktionsspule, wodurch ein mechanisches Verfahren der Induktionsspule zur jeweils zu erwärmenden Stelle notwendig ist.
Deshalb sind die Induktionsspulen in der Regel über eine Verfahreinheit oberhalb der Plattform verfahrbar angeordnet. Allerdings kommt es bei jeder Positionierung der Induktionsspule an einer neuen Position oberhalb der Plattform zu einer Änderung physikalischer Größen einer zur Durchführung des Verfahrens zur generativen Fertigung von Bauteilen eingesetzten Vorrichtung, was wiederum dazu führt, dass sich mit jeder neuen Position auch die abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators ändert.
Für Induktionsgeneratoren gilt, dass diese nicht auf eine Leistung eingestellt werden dürfen, bei der sie außerhalb eines zulässigen Frequenzbereichs betrieben werden würden. Insbesondere darf ein Induktionsgenerator bauartbedingt nicht oberhalb einer Maximalleistung eingestellt werden, da es ansonsten zu Schäden an dem Induktionsgenerator kommen würde.
Die abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators ist jedoch nicht konstant. Falls die Verfahreinheit der eingesetzten Vorrichtung mindestens eine Führung umfasst, entlang welcher die Induktionsspule in mindestens einer Richtung hin- und her bewegbar ist und über welche die Induktionsspule mit elektrischer Energie des Induktionsgenerators versorgt wird, kommt es im Falle einer elektrischen Verbindung der Induktionsspule mit der Führung, die insbesondere über Schleifkontakte realisiert werden kann, bei jeder Neupositionierung der Induktionsspule zu einer Verlängerung oder Verkürzung der elektrischen Leitungslänge zwischen der Induktionsspule und dem Induktionsgenerator. Dies wirkt sich wiederum auf den ohmschen Gesamtwiderstand und somit auf die an der jeweiligen Position abrufbare Maximalleistung aus.
Doch selbst bei einer erneuten Positionierung der Induktionsspule an derselben Position oberhalb der Plattform kann es verglichen mit der vorherigen Positionierung zu einer Änderung physikalischer Größen der Vorrichtung und somit zu einer Änderung der abrufbaren Maximalleistung des Induktionsgenerators kommen. Im Falle von Schleifkontakten kann dies beispielsweise dadurch bedingt sein, dass die Schleifkontakte nach jeder erfolgten Positionierung unterschiedlich stark an der Führung anliegen, was sich auf den ohmschen Gesamtwiderstand und somit auf die abrufbare Maximalleistung auswirkt.
Außerdem kann sich die Impedanz bestehend aus Induktivität der Induktionsspule und der ohmschen Verluste und somit die abrufbare Maximalleistung durch eine Rückkopplung von Wirbelströmen, die durch die Induktionsspule in einem Bauteil induziert werden, mit der Induktionsspule ändern.
Es sind Induktionsgeneratoren bekannt, welche die relevanten physikalischen Größen überwachen und beispielsweise auf ein drohendes Überschreiten der Maximalleistung des Induktionsgenerators reagieren, indem sie sich frühzeitig abschalten. Auf diese Weise werden Schäden an dem Induktionsgenerator aufgrund einer möglichen Überlastung verhindert. Gegenmaßnahmen zur Verhinderung des Abschaltens können allerdings nicht eingeleitet werden. Somit ist ein zuverlässiger Betrieb einer einen solchen Induktionsgenerator umfassenden Vorrichtung nicht möglich.
Darüber hinaus gibt es Verfahren, bei denen der Induktionsgenerator mit einer konstanten Leistung betrieben wird, die weit unterhalb der eigentlich abrufbaren Maximalleistung des Induktionsgenerators liegt. Auf diese Weise wird zwar eine Zwangsabschaltung des Induktionsgenerators verhindert, gleichzeitig wird jedoch die Heizleistung unnötig beschränkt, was zu einer Verlängerung der für eine Erwärmung des metallischen Werkstoffs benötigten Zeitdauer führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, das die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zumindest teilweise beseitigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Induktionsgenerator derart gesteuert wird, dass er an unterschiedlichen vorgegebenen Positionen der zumindest einen Induktionsspule mit einer unterschiedlichen Leistung betrieben wird.
Der Erfindung liegt also die Überlegung zugrunde, den Induktionsgenerator an unterschiedlichen Positionen der Induktionsspule oberhalb der Plattform beziehungsweise über einem Baufeld mit unterschiedlicher Leistung und nicht wie bei den vorbekannten Verfahren mit einer konstanten Leistung zu betreiben, um der sich mit der Position der Induktionsspule verändernden abrufbaren Maximalleistung des Induktionsgenerators Rechnung zu tragen. Auf diese Weise kann der Induktionsgenerator an einer Position der Induktionsspule, an der verglichen mit einer anderen Position der Induktionsspule eine höhere Maximalleistung abrufbar ist, mit einer höheren Leistung betrieben werden, wodurch wiederum die Heizleistung der Induktionsspule erhöht und die für die Erwärmung des metallischen Werkstoffs benötigte Zeitdauer verringert wird. Die Induktionsspule kann lediglich in einer Ebene, vorzugsweise in einer Ebene parallel zur Ebene der Plattform, bewegbar sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Induktionsspule in einem dreidimensionalen Raum bewegbar ist. Das heißt, die vorgegebenen Positionen der zumindest einen Induktionsspule können auch einen unterschiedlichen Abstand zur Plattform aufweisen. Die vorgegebenen Positionen der zumindest einen Induktionsspule können mit einer Genauigkeit von 1 mm festgelegt sein/werden. Vorzugsweise sind/werden die vorgegebenen Positionen der zumindest einen Induktionsspule auf höchstens 100 µm genau, besonders bevorzugt auf höchstens 10 µm genau, festgelegt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird für jede vorgegebene Position der zumindest einen Induktionsspule eine an der jeweiligen vorgegebenen Position abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators bestimmt und bevorzugt in einer Speichervorrichtung insbesondere überschreibbar gespeichert, und wird entweder direkt im Anschluss an die Bestimmung der abrufbaren Maximalleistung oder sobald eine vorgegebene Position von der Induktionsspule erneut angefahren wird, der Induktionsgenerator derart gesteuert, dass er mit einer Leistung betrieben wird, die einen vordefinierten Betrag unterhalb der für die jeweilige vorgegebene Position bestimmten abrufbaren Maximalleistung liegt. Die Bestimmung einer abrufbaren Maximalleistung für eine vorgegebene Position erfolgt insbesondere an der vorgegebenen Position, nachdem diese angefahren wurde. Der Ausdruck „direkt im Anschluss“ bedeutet, dass noch während die Induktionsspule an einer aktuell vorgegebenen Position verweilt, für die gerade eine zugehörige abrufbare Maximalleistung bestimmt wurde, um den metallischen Werkstoff zu erwärmen, die Leistung, mit der der Induktionsgenerator betrieben wird, auf einen vordefinierten Betrag unterhalb der gerade bestimmten abrufbaren Maximalleistung eingestellt wird. Auf diese Weise wird eine Abschaltung des Induktionsgenerators aufgrund eines Überschreitens einer an der jeweiligen vorgegebenen Position geltenden abrufbaren Maximalleistung des Induktionsgenerators verhindert. Mit anderen Worten lässt sich eine an einer bestimmten vorgegebenen Position abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators sozusagen vorausschauend bestimmen und lassen sich geeignete Gegenmaßnahmen, wie etwa ein Herunterregeln der Leistung des Induktionsgenerators, rechtzeitig einleiten, bevor eine kritische Grenze des Induktionsgenerators erreicht wird, so dass der Induktionsgenerator immer in einem unkritischen Zustand betrieben wird. Dies ermöglicht einen zuverlässigen Betrieb einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur generativen Fertigung von Bauteilen. Darüber hinaus wird die Ausfallsicherheit der Vorrichtung verbessert. Da für jede vorgegebene Position der Induktionsspule die abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators bestimmt wird und somit bekannt ist, kann der Induktionsgenerator an jeder vorgegebenen Position mit der an dieser vorgegebenen Position höchstmöglichen Leistung betrieben werden und die Induktionsspule dementsprechend die an dieser vorgegebenen Position höchstmögliche Heizleistung erreichen.
Zweckmäßigerweise ist die zumindest eine Induktionsspule über eine Verfahreinheit oberhalb der Plattform verfahrbar angeordnet und ist die Verfahreinheit über eine Zuführungsleitung mit der Wechselspannungsversorgungseinrichtung elektrisch verbunden, wobei die Zuführungsleitung zwei elektrische Leiter umfasst, in denen jeweils ein Kondensator angeordnet ist, sodass die Induktionsspule mit den Kondensatoren einen Schwingkreis bildet. In diesem Fall kann bei dem Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen eine abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators für eine beliebige vorgegebene Position der zumindest einen Induktionsspule bestimmt werden, indem

a) die Leistung des Induktionsgenerators innerhalb eines vorgegebenen Leistungsbereichs zwischen einer Leistungsuntergrenze und einer Leistungsobergrenze variiert, vorzugsweise erhöht wird, und hierbei Messwerte der Leistung und Messwerte der Frequenz erfasst werden, wobei die Messwerte der Leistung insbesondere indirekt über eine Erfassung von Messwerten der Spannung und des Stroms erfasst werden,
b) optional jeder Leistungsmesswert mit einem ihm zugeordneten Frequenzmesswert gespeichert wird,
c) eine Kurvenanpassung einer vorgegebenen frequenzabhängigen Leistungsmodellfunktion an die erfassten Leistungs- und Frequenzmesswerte durchgeführt wird, wobei wenigstens ein Wert des ohmschen Gesamtwiderstandes, der insbesondere die ohmschen Widerstände der zumindest einen Induktionsspule, der Verfahreinheit und der Zuführungsleitung umfasst, und ein Wert des Isolationswiderstands zwischen den beiden elektrischen Leitern der Zuführungsleitung, insbesondere zusätzlich ein Wert der Induktivität der mindestens einen Induktionsspule als freie Parameter der Leistungsmodellfunktion bestimmt werden, wodurch eine Resonanzkurve mit einem Resonanzpeak erhalten wird; und
d) aus der Resonanzkurve ein Wert der an der jeweiligen vorgegebenen Position der Induktionsspule abrufbaren Maximalleistung des Induktionsgenerators bestimmt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können sozusagen durch kurze Scans über verschiedene Leistungen des Induktionsgenerators Werte des ohmschen Gesamtwiderstandes und des Isolationswiderstandes an den jeweiligen vorgegebenen Positionen ermittelt werden, die bislang nicht zugänglich waren. Somit kann der ohmsche Gesamtwiderstand kontinuierlich überwacht werden, um beispielsweise schleichende Veränderungen an der Induktionsspule, der Verfahreinheit und/oder der Zuführungsleitung rechtzeitig zu erfassen und gegebenenfalls gegenzusteuern. Beispielsweise kann vor einem Ausfall der Vorrichtung eine Wartung der Vorrichtung angefordert werden.
In Schritt a) können die Messwerte der Leistung, der Spannung, des Stromes und/oder der Frequenz beispielsweise von einer Steuerung des Induktionsgenerators oder durch eine separate Messeinheit erhalten werden.
Darüber hinaus kann in Schritt a) die Leistung des Induktionsgenerators kontinuierlich und/oder schrittweise, bevorzugt zu vorgegebenen, besonders bevorzugt gleichmäßig beabstandeten Zeitpunkten von der Leistungsuntergrenze bis zu der Leistungsobergrenze variiert werden. Hierbei wird die Leistung vorzugsweise in Form einer Rampe von der Leistungsuntergrenze auf die Leistungsobergrenze erhöht. Da sich Strom, Spannung und Frequenz nach Positionierung der Induktionsspule relativ schnell (<100ms) anpassen, genügen Rampenzeiten im Sekundenbereich. Insbesondere wird die Leistung in Form einer Rampe mit einer Rampenzeit im Bereich von 50 ms bis 10s, bevorzugt im Bereich von 1s bis 2s, von der Leistungsuntergrenze auf die Leistungsobergrenze erhöht. Hierbei stellt eine Rampenzeit im Bereich von 1-2 Sekunden den besten Kompromiss zwischen der aufgewendeten Zeit und der Qualität der ermittelten Daten dar. Die Rampenzeit kann 50 ms, 1s, 2s oder 10s betragen. Als „Rampe“ kann insbesondere die kontinuierliche Veränderung der Leistung von einem aktuellen Wert, beispielsweise der Leistungsuntergrenze, zu einem Zielwert, beispielsweise der Leistungsobergrenze, über eine vorgegebene Zeit bezeichnet werden. Die vorgegebene Zeit bezeichnet man als Rampenzeit. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass verschiedene Werte der Leistung innerhalb des vorgegebenen Bereiches in beliebiger Reihenfolge eingestellt werden.
In Schritt b) können die gespeicherten Leistungsmesswerte gegenüber den gespeicherten Frequenzmesswerten aufgetragen werden.
Bevorzugt wird in Schritt c) bei der Kurvenanpassung die Formel: $P (ω) = \frac{U^{2}}{Z_{G e s a m t} (ω)}$
oder $P (ω) = I^{2} \cdot Z_{G e s a m t} (ω)$
mit $Z_{G e s a m t} (ω) = \frac{1}{C_{1} ω} - \frac{1}{C_{2} ω} + \frac{1}{\frac{1}{R_{I S O}} + \frac{1}{R_{G e s a m t} + i L ω}}$
und $ω = 2 π$
als frequenzabhängige Leistungsmodellfunktion verwendet, wobei U die insbesondere am Ausgang der Wechselspannungsversorgungseinrichtung gemessene Spannung, I der insbesondere hinter dem Ausgang der Wechselspannungsversorgungseinrichtung, vorzugsweise in der Zuführungsleitung, bevorzugt zwischen einem der Kondensatoren und der Wechselspannungsversorgungseinrichtung, gemessene Strom ist, Z_Gesamt (ѡ) die Gesamtimpedanz der Anordnung aus zumindest der Induktionsspule, der Verfahreinheit, der Zuführungsleitung und den Kondensatoren ist, R_Gesamt der ohmsche Gesamtwiderstand ist, R_ISO der Isolationswiderstand ist, L die Induktivität der Induktionsspule ist, C₁ und C₂ die Kapazitäten der Kondensatoren sind, und wobei U und I als konstant angenommen werden.
In Schritt c) können bei der Kurvenanpassung typische Wertebereiche für die freien Parameter oder eine vorgefertigte Kurve, die der zu ermittelnden Resonanzkurve ähnelt, berücksichtigt werden, um den Zeit- und Ressourcenaufwand der Kurvenanpassung zu reduzieren. Die typischen Wertebereiche und/oder die vorgefertigte Kurve können in einer Look-up-Tabelle gespeichert sein.
Der Wert der Induktivität der Induktionsspule kann als konstant angenommen werden, da die Änderung der Induktivität verglichen mit der Änderung des ohmschen Gesamtwiderstandes bei Umpositionierung der Induktionsspule relativ gering ist. Es ist jedoch auch möglich, den Wert der Induktivität als freien Parameter mitzubestimmen.
Grundsätzlich kann sich aus der in Schritt c) erhaltenen Resonanzkurve insbesondere die Resonanzfrequenz, die abrufbare Maximalleistung und der ohmsche Gesamtwiderstand (aus der Breite des Resonanzpeaks) ergeben, woraus die Induktivität der Induktionsspule berechnet werden kann.
Die in Schritt c) erhaltene Resonanzkurve kann in einem Kurvendiagramm aufgetragen werden, insbesondere über die gegeneinander aufgetragenen Leistungs- und Frequenzmesswerte gelegt werden.
Bevorzugt wird in Schritt d) die abrufbare Maximalleistung P_MAX aus der Resonanzkurve P_Resonanz (ѡ) bestimmt, indem die Höhe des Resonanzpeaks als Maximum der Resonanzkurve P_Resonanz (ѡ) algebraisch und/oder numerisch bestimmt wird. Beispielsweise kann die Resonanzkurve P_Resonanz (ѡ) nach ѡ abgeleitet und die Ableitung gleich Null gesetzt werden, um durch Auflösen der sich ergebenden Gleichung nach ѡ die Resonanzfrequenz beziehungsweise die zugehörige Kreisfrequenz (ѡ_Res. zu bestimmen. Durch Einsetzen von (ѡ_Res. in P_Resonanz (ѡ) lässt sich P_Max über P_MAX=P_Resonanz (ѡ_Res.) bestimmen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass unter Verwendung der in Schritt d) ermittelten abrufbaren Maximalleistung und/oder unter Verwendung einer ermittelten Impedanz, insbesondere Gesamtimpedanz Z_Ge _samt, vorzugsweise Gesamtimpedanz bei der Resonanzfrequenz, oder Impedanz der Induktionsspule, eine an der jeweiligen vorgegebenen Position der Induktionsspule vorherrschende Wirk- und/oder Blindleistung bestimmt wird.
Konkret kann die ermittelte Impedanz mehrere Auswertungen ermöglichen:

- Durch die Bestimmung der Wirk- und/oder Blindleistung über die ermittelte Impedanz, kann die am Bauteil zur Verfügung stehende Heizleistung bestimmt werden,
- Da der ohmsche Widerstand der Anordnung aus der Induktionsspule und einer Verfahreinheitanordnung, die zumindest die Verfahreinheit, optional zusätzlich eine Zuführungsleitung, über welche die Verfahreinheit elektrisch mit der Wechselspannungsversorgungseinrichtung verbunden ist, umfasst, zum einen von der eigentlichen Heizleistung in das Bauteil, zudem aber auch von den Verlusten in der Verfahreinheitanordnung abhängt, kann bei einem bekannten Bauteil auf den aktuellen Zustand der Verfahreinheitanordnung geschlossen werden, beispielsweise auf den Übergangswiderstand bei Schleifkontakten.

Darüber hinaus kann die Verlustleistung in der Induktionsspule und der Verfahreinheitanordnung direkt aus dem ohmschen Widerstand, insbesondere dem ohmschen Gesamtwiderstand, berechnet werden, wodurch die zur Verfügung stehende Leistung im elektromagnetischen Feld berechnet werden kann.
Vorteilhaft wird die abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators, insbesondere zusätzlich die Resonanzkurve, mit einer ihr zugeordneten vorgegebenen Position der Induktionsspule gespeichert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird

- eine vorgegebene Position von der Induktionsspule angefahren und an der vorgegebenen Position die Leistung des Induktionsgenerators von der Leistungsuntergrenze auf eine allgemeine Leistungsobergrenze, für die bekannt ist, dass der Induktionsgenerator an jeder vorgebbaren Position der Induktionsspule zuverlässig betrieben werden kann, gesteigert und wird die an der vorgegebenen Position abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators bestimmt und bevorzugt mit der ihr zugeordneten vorgegebenen Position der Induktionsspule gespeichert, und
- nach einem erneuten Anfahren der vorgegebenen Position die Leistung des Induktionsgenerators von der Leistungsuntergrenze auf die beim vorherigen Anfahren der vorgegebenen Position abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators gesteigert und eine neue abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators für die vorgegebene Position bestimmt und bevorzugt mit der ihr zugeordneten vorgegebenen Position der Induktionsspule gespeichert, wobei insbesondere die bisher zu der vorgegebenen Position gespeicherte abrufbare Maximalleistung mit der neuen Maximalleistung überschrieben wird.

Die zuvor erwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine Vorrichtung zur generativen Fertigung von Bauteilen gelöst, die eine Plattform, die dazu vorgesehen ist, um darauf einen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff schichtweise aufzutragen, eine Primärheizeinrichtung, insbesondere eine Laserstrahlquelle oder Elektronenstrahlquelle, die dazu ausgebildet ist, einen bevorzugt auf die Plattform aufgetragenen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff aufzuschmelzen, eine Induktionsheizeinrichtung, die eine Wechselspannungsversorgungseinrichtung mit einem Induktionsgenerator sowie zumindest eine oberhalb der Plattform verfahrbare Induktionsspule aufweist und dazu ausgebildet ist, einen bevorzugt auf die Plattform aufgetragenen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff zu erwärmen, und eine Steuerung aufweist. Die Steuerung ist dazu ausgebildet und/oder eingerichtet, den Induktionsgenerator derart zu steuern, dass er an unterschiedlichen vorgegebenen Positionen der zumindest einen Induktionsspule mit einer unterschiedlichen Leistung betrieben wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Verarbeitungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, für jede vorgegebene Position der Induktionsspule eine an der jeweiligen vorgegebenen Position abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators zu bestimmen. Bevorzugt ist die Speichervorrichtung dazu ausgebildet, die bestimmten abrufbaren Maximalleistungen insbesondere überschreibbar zu speichern. Die Steuerung kann dazu ausgebildet und/oder eingerichtet sein, den Induktionsgenerator entweder direkt im Anschluss an die Bestimmung der abrufbaren Maximalleistung oder sobald eine vorgegebene Position von der Induktionsspule erneut angefahren wird derart zu steuern, dass der Induktionsgenerator mit einer Leistung betrieben wird, die einen vordefinierten Betrag unterhalb der für die jeweilige vorgegebene Position bestimmten abrufbaren Maximalleistung liegt.
Die zumindest eine Induktionsspule kann über eine Verfahreinheit oberhalb der Plattform verfahrbar angeordnet sein. Die Verfahreinheit kann über eine Zuführungsleitung mit der Wechselspannungsversorgungseinrichtung elektrisch verbunden sein. Die Zuführungsleitung kann zwei elektrische Leiter umfassen, in denen jeweils zumindest ein Kondensator angeordnet ist, sodass die Induktionsspule mit den Kondensatoren einen Schwingkreis bildet.
Eine Steuerungs- und Verarbeitungseinheit, die die Steuerung und die Verarbeitungsvorrichtung umfasst, kann dazu ausgebildet und/oder eingerichtet sein, eine abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators für eine beliebige vorgegebene Position der zumindest einen Induktionsspule zu bestimmen, indem die Steuerung dazu ausgebildet und/oder eingerichtet ist, die Leistung des Induktionsgenerators innerhalb eines vorgegebenen Leistungsbereichs zwischen einer Leistungsuntergrenze und einer Leistungsobergrenze zu variieren, vorzugsweise zu erhöhen. Die Vorrichtung kann eine Messeinheit aufweisen, die ein Amperemeter und ein Voltmeter umfasst. Das Amperemeter befindet sich zweckmäßigerweise zwischen einem Kondensator des Schwingkreises und der Wechselspannungsversorgungseinrichtung. Das Voltmeter befindet sich vorteilhafterweise zwischen den beiden elektrischen Leitern in einem Bereich zwischen den Kondensatoren des Schwingkreises und der Wechselspannungsversorgungseinrichtung. Die Messeinheit ist bevorzugt dazu ausgebildet, während der Variation der Leistung des Induktionsgenerators Messwerte der Leistung und Messwerte der Frequenz zu erfassen, insbesondere Messwerte der Leistung indirekt über eine Erfassung von Messwerten der Spannung und des Stroms zu erfassen. Die Verarbeitungsvorrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet und/oder eingerichtet, eine Kurvenanpassung einer vorgegebenen frequenzabhängigen Leistungsmodellfunktion an die erfassten Leistungsund Frequenzmesswerte durchzuführen und hierbei wenigstens ein Wert des ohmschen Gesamtwiderstandes und ein Wert des Isolationswiderstandes zwischen den beiden elektrischen Leitern der Zuführungsleitung, insbesondere zusätzlich ein Wert der Induktivität der mindestens einen Induktionsspule als freie Parameter der Leistungsmodellfunktion zu bestimmen und somit eine Resonanzkurve mit einem Resonanzpeak zu erhalten. Außerdem kann die Verarbeitungsvorrichtung dazu ausgebildet und/oder eingerichtet sein, aus der Resonanzkurve einen Wert der an der jeweiligen vorgegebenen Position der Induktionsspule abrufbaren Maximalleistung des Induktionsgenerators zu bestimmen.
Die Steuerung kann dazu ausgebildet und/oder eingerichtet sein, die Leistung des Induktionsgenerators kontinuierlich und/oder schrittweise, bevorzugt zu vorgegebenen, besonders bevorzugt gleichmäßig beabstandeten Zeitpunkten von der Leistungsuntergrenze bis zu der Leistungsobergrenze zu variieren.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bezüglich weiterer optionaler Merkmale auf die vorstehende Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen. Die Vorrichtung im Allgemeinen und ihre einzelnen Vorrichtungskomponenten, wie etwa die Steuerung oder die Verarbeitungsvorrichtung, im Speziellen können ausgebildet und/oder eingerichtet sein, um jeden der zuvor im Zusammenhang mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens erwähnten Verfahrensschritt durchzuführen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung so gesteuert wird, dass diese ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführt.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Speichermedium mit einem Programmcode, der dazu ausgebildet und/oder eingerichtet ist, bei Ausführen durch eine Recheneinrichtung eine erfindungsgemäße Vorrichtung so zu steuern, dass diese ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführt.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der vorstehenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur generativen Fertigung von Bauteilen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist

1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur generativen Fertigung von Bauteilen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Draufsicht der Vorrichtung aus 1,
3 ein Ersatzschaltbild des resonanten Außenkreises der Vorrichtung mit eingezeichneten Widerständen und Induktivitäten,
4 das Ersatzschaltbild aus 3 in vereinfachter Form, und
5 ein Kurvendiagramm mit einer Resonanzkurve an einer Position der Induktionsspule.

Gleiche Bezugsziffern beziehen sich nachfolgend auf gleichartige Bauteile oder Bauteilabschnitte.
Ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand einer in den 1 bis 3 gezeigten beispielhaften Vorrichtung 1 zur generativen Fertigung von Bauteilen 2 aus einem pulverförmigen metallischen Werkstoff erläutert.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen Pulverbettraum 3, in dem eine Plattform 4 angeordnet ist, die sich innerhalb einer durch die X-Richtung und die Y-Richtung aufgespannten Ebene erstreckt und in einer Z-Richtung innerhalb des Pulverbettraums 3 auf- und abwärts bewegt werden kann. Eine Pulverzuführeinrichtung der Vorrichtung 1, die dazu ausgelegt ist, dem Pulverbettraum 3 Pulver zuzuführen und das zugeführte Pulver in einer gleichmäßigen Pulverschicht aufzutragen, wird vorliegend durch eine Pulverabgabeeinrichtung 5 und ein Rakel 6 gebildet, das in X-Richtung über die gesamte Plattform 4 hin und her bewegt werden kann.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Primärheizeinrichtung, vorliegend eine Laserstrahlquelle 7, bei der es sich um einen CO₂-Laser, einen Nd:Yag-Laser, einen Yb-Faserlaser oder einen Diodenlaser handeln kann. Darüber hinaus ist eine Induktionsheizeinrichtung 8 vorgesehen, die vorliegend eine Wechselspannungsversorgungseinrichtung 9 und eine Induktionsspule 10 aufweist. Die Induktionsspule 10 und die Laserstrahlquelle 7 sind zusammen oberhalb der Plattform 4 verfahrbar angeordnet. Hierzu ist eine Verfahreinheit 11 mit einer ersten Führung 12 und einer zweiten Führung 13 vorgesehen, wobei die Induktionsspule 10 und die Laserstrahlquelle 7 zusammen in X-Richtung entlang der ersten Führung 12 sowie in Y-Richtung entlang der zweiten Führung 13 hin- und her bewegbar sind. Die Induktionsspule 10 und die Laserstrahlquelle 7 sind derart relativ zueinander angeordnet, dass während des Betriebs der Vorrichtung 1 ein aus der Laserstrahlquelle 7 austretender Laserstrahl 14 durch eine zentrale Öffnung 15 der Induktionsspule 10 hindurchtreten kann.
Die Wechselspannungsversorgungseinrichtung 9 umfasst einen Induktionsgenerator 16 und einen Transformator 17. Vorliegend ist der Abstand zwischen dem Transformator 17 und der Induktionsspule 10 geringer als der Abstand zwischen dem Induktionsgenerator 16 und dem Transformator 17. Den Figuren kann dieses Verhältnis aus Platzgründen nicht entnommen werden. Der Transformator 17 dient also dazu, die Leistung des Induktionsgenerators 16 möglichst verlustfrei zu der Induktionsspule 10 zu bringen. Die Wechselspannungsversorgungseinrichtung 9 ist über eine Zuführungsleitung 18 elektrisch mit der Verfahreinheit 11 verbunden. Die Verfahreinheit 11 ist dazu eingerichtet, die über die Zuführungsleitung 18 zugeführte elektrische Energie an die Induktionsspule 10 zu übertragen. Hierzu dienen die Führungen 12, 13 der Verfahreinheit 11 selbst als elektrische Leiter oder sind elektrische Leiter an den Führungen 12, 13 vorgesehen. Gleichartige elektrische Leiter unterschiedlicher Führungen 12, 13 sind hierbei über Schleifkontakte elektrisch miteinander verbunden. Der Übersichtlichkeit halber sind in den Figuren weder die elektrischen Leiter der Führungen 12, 13 noch die Schleifkontakte dargestellt. Die Zuführungsleitung 18 umfasst zwei elektrische Leiter 19, 20. In dem elektrischen Leiter 19 ist ein Kondensator 21 angeordnet und in dem elektrischen Leiter 20 ist ein Kondensator 22 angeordnet. Zwischen dem Kondensator 21 und der Wechselspannungsversorgungseinrichtung 9 befindet sich ein Amperemeter 23 zur Messung eines Stroms. Darüber hinaus befindet sich zwischen den beiden elektrischen Leitern 19, 20 in einem Bereich zwischen den Kondensatoren 21, 22 und der Wechselspannungsversorgungseinrichtung 9 ein Voltmeter 24 zum Abgriff einer Spannung. Das Amperemeter 23 und das Voltmeter 24 bilden eine Messeinheit 25. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform können sich das Voltmeter 24 und das Amperemeter 23 alternativ auch zwischen dem Transformator 17 und dem Induktionsgenerator 16 befinden.
Die Induktionsspule 10, die elektrischen Leiter der Verfahreinheit 11, die Zuführungsleitung 18 mit den Kondensatoren 21, 22 und die Wechselspannungsversorgungseinrichtung 9 bilden einen sogenannten resonanten Außenkreis. Genauer gesagt bilden die Kondensatoren 21, 22 und die Induktionsspule 10 einen Reihenschwingkreis.
Außerdem ist die Vorrichtung 1 mit einer Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 26, die eine Steuerung 27 und eine Verarbeitungsvorrichtung 28 umfasst, sowie mit einer Speichervorrichtung 29 ausgestattet. Die Messeinheit 25 ist sowohl mit der Verarbeitungsvorrichtung 28 als auch mit der Speichervorrichtung 29 verbunden. Die Speichervorrichtung 29 ist sowohl mit der Steuerung 27 als auch mit der Verarbeitungsvorrichtung 28 verbunden. Des Weiteren ist die Verarbeitungsvorrichtung 28 mit der Steuerung 27 verbunden. Darüber hinaus ist die Steuerung 27 dazu eingerichtet, die Bewegungen der Plattform 4, der Pulverabgabeeinrichtung 5, des Rakels 6 und der Verfahreinheit 11 zu steuern. Entsprechende Verbindungslinien sind in den Figuren der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
3 zeigt ein Ersatzschaltbild des resonanten Außenkreises der Vorrichtung 1. Im Gegensatz zu den 1 und 2 nicht dargestellt sind insbesondere die Steuerungs- und Verarbeitungseinheit 26 sowie die Speichervorrichtung 29. Die Induktionsspule 10 wird durch ihren ohmschen Widerstand 30 und ihre Induktivität 31 repräsentiert. Das Bauteil 2 ist durch einen gestrichelten Kasten angedeutet und weist einen ohmschen Widerstand 32 auf. Die Tatsache, dass die durch die Induktionsspule 10 in dem Bauteil 2 induzierten und die gewünschte Erwärmung des Bauteils 2 hervorrufenden Wirbelströme mit der Induktivität 31 der Induktionsspule 10 in Rückkopplung stehen, findet durch das parallel zu dem ohmschen Widerstand 32 des Bauteils 2 geschaltete Element 33 Berücksichtigung. Parallel zu dem Transformator 17 ist ein Isolationswiderstand 34 zwischen den elektrischen Leitern 19, 20 der Zuführungsleitung 18 eingezeichnet, über den ein Leckstrom I_L fließt. Darüber hinaus befindet sich zwischen der Induktionsspule 10 und dem Isolationswiderstand 34 ein schraffierter Kasten 35, der den bei Umpositionierung der Induktionsspule 10 und/oder bei einem unterschiedlich starken Kontakt der Schleifkontakte der Verfahreinheit 11 variablen ohmschen Widerstand andeuten soll.
4 zeigt das Ersatzschaltbild der 3 in vereinfachter Form. Anstelle des Elements 30, das für den ohmschen Widerstand der Spule steht, tritt das Element 36, das für den ohmschen Gesamtwiderstand R_Gesamt (inklusive Wirbelströmen im Bauteil) steht. Für die Gesamtimpedanz Z_Gesamt(w) der Anordnung aus der Induktionsspule 10, der Verfahreinheit 11, der Zuführungsleitung 18 und der Kondensatoren 21, 22 gilt folgender Zusammenhang: $Z_{G e s a m t} (ω) = \frac{1}{C_{1} ω} - \frac{1}{C_{2} ω} + \frac{1}{\frac{1}{R_{I S O}} + \frac{1}{R_{G e s a m t} + i L ω}}$
mit ѡ = 2πƒ und wobei C₁ für die Kapazität des Kondensators 21 steht, C₂ für die Kapazität des Kondensators 22 steht,R_ISO für den Isolationswiderstand 34 steht, L für die Induktivität der Spule steht, R_Gesamt für den durch das Element 36 repräsentierten ohmschen Gesamtwiderstand steht, der die ohmschen Widerstände der Induktionsspule 10, der Verfahreinheit 11 und der Zuführungsleitung 18 umfasst, ѡ für die Kreisfrequenz steht und f für die Frequent steht.
Für die frequenzabhängige Leistungsmodellfunktion ergibt sich die Formel: $P (ω) = \frac{U^{2}}{Z_{G e s a m t} (ω)}$
oder $P (ω) = I^{2.} Z_{G e s a m t} (ω)$
wobei U für die mittels des Voltmeters 24 gemessene Spannung steht und I für den mittels des Amperemeters 23 gemessenen Strom steht. Vorliegend werden U und I als konstant angenommen.
Zur Generierung eines Bauteils 2 wird unter Verwendung der Pulverabgabeeinrichtung 5 und des Rakels 6 in einem ersten Schritt ein erstes Pulverbett, also eine erste Pulverschicht aus einem pulverförmigen metallischen Werkstoff, gleichmäßiger Dicke auf der Plattform 4 aufgetragen. In einem nächsten Schritt wird die Anordnung aus der Laserstrahlquelle 7 und der Induktionsspule 10 mittels der Verfahreinheit 11 und durch die Steuerung 27 gesteuert in eine erste vorgegebene Position gefahren. Der von der Laserstrahlquelle 7 erzeugte Laserstrahl 14 wird nun durch die Öffnung 15 der Induktionsspule 10 hindurch auf eine zu bearbeitende Stelle der Oberfläche des Pulverbetts gerichtet und schmilzt diese auf. Anschließend wird das aufgeschmolzene Pulvermaterial mittels der Induktionsheizeinrichtung 8 erwärmt, wobei keine oder zumindest keine wesentliche Erwärmung des unbearbeiteten Pulvermaterials erfolgt. Hierzu wird zunächst die Leistung des Induktionsgenerators 16 in Form einer Rampe von einer Leistungsuntergrenze von vorliegend etwa 0,5 kW auf eine allgemeine Leistungsobergrenze von vorliegend etwa 6,25 kW gesteigert, für die bekannt ist, dass der Induktionsgenerator 16 an jeder vorgebbaren Position der Induktionsspule 10 zuverlässig betrieben werden kann. Mit Steigerung der Leistung verschiebt der Induktionsgenerator 16 die Frequenz f kontinuierlich in Richtung der Resonanzfrequenz f_Res.( ѡ_Res.=2πf_Res. ). Hierbei werden mittels der Messeinheit 25 Messwerte der Leistung P und Messwerte der Frequenz f erfasst. Jeder Leistungsmesswert wird mit einem zugeordneten Frequenzmesswert in der SpeicherVorrichtung 29 gespeichert. Die Messwerte der abgerufenen Leistung werden mittels der Verarbeitungsvorrichtung 28 gegen die Messwerte der Frequenz in einem Kurvendiagramm aufgetragen, siehe 5.
In einem nächsten Schritt erfolgt eine Kurvenanpassung der vorstehend beschriebenen frequenzabhängigen Leistungsmodellfunktion P(ω) an die erfassten Leistungs- und Frequenzmesswerte mittels der Verarbeitungsvorrichtung 28. Hierbei wird der Wert L der Induktivität 31 vorliegend vereinfachend als konstant angenommen. Der Wert R_Gesamt des ohmschen Gesamtwiderstandes 36 und der Wert R_ISO des Isolationswiderstandes 34 werden bei der Kurvenanpassung als freie Parameter der Leistungsmodellfunktion P (ѡ) ermittelt. Durch Einsetzen der ermittelten freien Parameter in die Leistungsmodellfunktion P (ω) wird eine Funktion für eine Resonanzkurve P_Resonanz (ѡ) erhalten. Die Resonanzkurve P_Resonanz (ѡ) wird über die Messpunkte des Kurvendiagramms gelegt, siehe 5. Es ist deutlich ein sogenannter Resonanzpeak zu erkennen. Aus der Resonanzkurve P_Resonanz (ѡ) wird nun der Wert der an der ersten vorgegebenen Position der Induktionsspule 10 abrufbaren Maximalleistung P_Max des Induktionsgenerators 16 als Höhe des Resonanzpeaks bestimmt. Genauer gesagt wird die Höhe des Resonanzpeaks als Maximum der Resonanzkurve P_Resonanz (ω) bestimmt, indem P_Resonanz (ѡ) nach ω abgeleitet, die Ableitung gleich Null gesetzt und die resultierende Gleichung nach ω aufgelöst wird, wodurch sich ѡ_Res. Ergibt, die vorliegend etwa 260000 Hz beträgt. Durch Einsetzen von ѡ_Res. In P_Resonanz (ω) ergibt sich ein Wert für die an der ersten vorgegebenen Position abrufbare Maximalleistung P_Max, der vorliegend etwa 7,75 kW beträgt. P_Max wird zusammen mit der ersten vorgegebenen Position in der Speichervorrichtung gespeichert.
In einem nächsten Schritt wird die Anordnung aus der Laserstrahlquelle 7 und der Induktionsspule 10 mittels der Verfahreinheit 11 und durch die Steuerung 27 gesteuert in eine zweite vorgegebene Position gefahren. Hier erfolgt ein Aufschmelzen einer weiteren zu bearbeitenden Stelle der Oberfläche des Pulverbetts mittels des Laserstrahls 14 der Laserstrahlquelle 7. Anschließend wird das aufgeschmolzene Pulvermaterial mittels der Induktionsheizeinrichtung 8 erwärmt. Auch hier erfolgen wieder eine Messwerterfassung und Verarbeitung der Messwerte wie bereits zuvor ausführlich im Zusammenhang mit der ersten Position beschrieben. Auf diese Weise wird die Anordnung aus der Laserstrahlquelle 7 und der Induktionsspule 10 mittels der Verfahreinheit 11 von Position zu Position gefahren, um das Pulver der ersten Pulverschicht entsprechend einer gewünschten Bauteilstruktur selektiv zu schmelzen.
Im Anschluss daran wird die Plattform 4 in Z-Richtung um den Betrag einer Pulverschichtdicke abgesenkt. Unter Verwendung der Pulverabgabeeinrichtung 5 und des Rakels 6 wird nun ein zweites Pulverbett, also eine zweite Pulverschicht aus dem pulverförmigen metallischen Werkstoff, gleichmäßiger Dicke auf der Plattform 4 aufgetragen.
Die Anordnung aus der Laserstrahlquelle 7 und der Induktionsspule 10 wird mittels der Verfahreinheit 11 und durch die Steuerung 27 gesteuert ein zweites Mal in die erste vorgegebene Position gefahren. Es erfolgt zunächst ein Aufschmelzen einer zu bearbeitenden Stelle der Oberfläche der zweiten Pulverschicht mittels des Laserstrahls 14 der Laserstrahlquelle 7. Anschließend wird das aufgeschmolzene Pulvermaterial mittels der Induktionsheizeinrichtung 8 erwärmt. Hierzu wird die Leistung des Induktionsgenerators 16 in Form einer Rampe von der Leistungsuntergrenze auf die beim letzten Anfahren der ersten Position bestimmte abrufbare Maximalleistung P_Max des Induktionsgenerators 16 gesteigert. Auch hier erfolgen wieder eine Messwerterfassung und Verarbeitung der Messwerte wie bereits zuvor ausführlich beschrieben. Insbesondere wird eine neue abrufbare Maximalleistung P_Max des Induktionsgenerators 16 für die erste Position bestimmt und mit der ersten Position der Induktionsspule 10 in der Speichervorrichtung 29 gespeichert. Die bisher abgespeicherte abrufbare Maximalleistung wird mit der neu bestimmten abrufbaren Maximalleistung überschrieben. Dieses Verfahren wird soweit fortgesetzt, bis das Bauteil 2 vollständig generiert ist.
Zusammenfassend wird der Induktionsgenerator 16 mittels der Steuerung 27 derart gesteuert, dass er an unterschiedlichen vorgegebenen Positionen der Induktionsspule 10 während der Generierung des Bauteils 2 mit unterschiedlichen Leistungen betrieben wird. Genauer gesagt wird an jeder von der Induktionsspule 10 angefahrenen vorgegebenen Position die an dieser Position abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators 16 bestimmt und in der Speichervorrichtung 29 gespeichert. Sobald diese vorgegebene Position von der Induktionsspule 10 erneut angefahren wird, wird der Induktionsgenerator 16 mittels der Steuerung 27 derart gesteuert, dass er mit einer Leistung betrieben wird, die einen vordefinierten Betrag unterhalb der für diese vorgegebene Position bestimmten abrufbaren Maximalleistung liegt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen (2), bei dem ein pulver- oder drahtförmiger metallischer Werkstoff schichtweise auf eine Plattform (4) aufgetragen, unter Verwendung einer Primärheizeinrichtung (7), insbesondere mittels eines Laser- oder Elektronenstrahls (14) aufgeschmolzen und unter Verwendung einer Induktionsheizeinrichtung (8) erwärmt wird, die eine Wechselspannungsversorgungseinrichtung (9) mit einem Induktionsgenerator (16) sowie zumindest eine oberhalb der Plattform (4) verfahrbare Induktionsspule (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktionsgenerator (16) derart gesteuert wird, dass er an unterschiedlichen vorgegebenen Positionen der zumindest einen Induktionsspule (10) mit einer unterschiedlichen Leistung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede vorgegebene Position der zumindest einen Induktionsspule (10) eine an der jeweiligen vorgegebenen Position abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators (16) bestimmt und bevorzugt in einer Speichervorrichtung (29) insbesondere überschreibbar gespeichert wird, und entweder direkt im Anschluss an die Bestimmung der abrufbaren Maximalleistung oder sobald eine vorgegebene Position von der Induktionsspule (10) erneut angefahren wird, der Induktionsgenerator (16) derart gesteuert wird, dass er mit einer Leistung betrieben wird, die einen vordefinierten Betrag unterhalb der für die jeweilige vorgegebene Position bestimmten abrufbaren Maximalleistung liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Induktionsspule (10) über eine Verfahreinheit (11) oberhalb der Plattform (4) verfahrbar angeordnet ist und die Verfahreinheit (11) über eine Zuführungsleitung (18) mit der Wechselspannungsversorgungseinrichtung (9) elektrisch verbunden ist, wobei die Zuführungsleitung (18) zwei elektrische Leiter (19, 20) umfasst, in denen jeweils zumindest ein Kondensator (21, 22) angeordnet ist, sodass die Induktionsspule (10) mit den Kondensatoren (19, 20) einen Schwingkreis bildet, und bei dem Verfahren zur generativen Fertigung von Bauteilen eine abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators (16) für eine beliebige vorgegebene Position der zumindest einen Induktionsspule (10) bestimmt wird, indem a) die Leistung des Induktionsgenerators (16) innerhalb eines vorgegebenen Leistungsbereichs zwischen einer Leistungsuntergrenze und einer Leistungsobergrenze variiert, vorzugsweise erhöht wird, und hierbei Messwerte der Leistung und Messwerte der Frequenz erfasst werden, wobei die Messwerte der Leistung insbesondere indirekt über eine Erfassung von Messwerten der Spannung und des Stroms erfasst werden, b) optional jeder Leistungsmesswert mit einem ihm zugeordneten Frequenzmesswert gespeichert wird, c) eine Kurvenanpassung einer vorgegebenen frequenzabhängigen Leistungsmodellfunktion an die erfassten Leistungs- und Frequenzmesswerte durchgeführt wird, wobei wenigstens ein Wert des ohmschen Gesamtwiderstandes, der insbesondere die ohmschen Widerstände der zumindest einen Induktionsspule (10), der Verfahreinheit (11) und der Zuführungsleitung (18) umfasst, und ein Wert des Isolationswiderstands (34) zwischen den beiden elektrischen Leitern (19, 20) der Zuführungsleitung (18), insbesondere zusätzlich ein Wert der Induktivität der mindestens einen Induktionsspule (10) als freie Parameter der Leistungsmodellfunktion bestimmt werden, wodurch eine Resonanzkurve mit einem Resonanzpeak erhalten wird; und d) aus der Resonanzkurve ein Wert der an der jeweiligen vorgegebenen Position der Induktionsspule (10) abrufbaren Maximalleistung des Induktionsgenerators (16) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators (16), insbesondere zusätzlich die Resonanzkurve, mit einer ihr zugeordneten vorgegebenen Position der Induktionsspule (10) gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) die Leistung des Induktionsgenerators (16) kontinuierlich und/oder schrittweise, bevorzugt zu vorgegebenen, besonders bevorzugt gleichmäßig beabstandeten Zeitpunkten von der Leistungsuntergrenze bis zu der Leistungsobergrenze variiert wird, wobei die Leistung vorzugsweise in Form einer Rampe, insbesondere mit einer Rampenzeit im Bereich von 50 ms bis 10s, bevorzugt im Bereich von 1s bis 2s, von der Leistungsuntergrenze auf die Leistungsobergrenze erhöht wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass - eine vorgegebene Position von der Induktionsspule (10) angefahren wird und an der vorgegebenen Position die Leistung des Induktionsgenerators (16) von der Leistungsuntergrenze auf eine allgemeine Leistungsobergrenze, für die bekannt ist, dass der Induktionsgenerator (16) an jeder vorgebbaren Position der Induktionsspule (10) zuverlässig betrieben werden kann, gesteigert wird und die an der vorgegebenen Position abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators (16) bestimmt und bevorzugt mit der ihr zugeordneten vorgegebenen Position der Induktionsspule (10) gespeichert wird, und - nach einem erneuten Anfahren der vorgegebenen Position die Leistung des Induktionsgenerators (16) von der Leistungsuntergrenze auf die beim vorherigen Anfahren der vorgegebenen Position bestimmte abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators (16) gesteigert wird und eine neue abrufbare Maximalleistung des Induktionsgenerators (16) für die vorgegebene Position bestimmt und bevorzugt mit der ihr zugeordneten vorgegebenen Position der Induktionsspule (10) gespeichert wird, wobei insbesondere die bisher zu der vorgegebenen Position gespeicherte abrufbare Maximalleistung mit der neuen abrufbaren Maximalleistung überschrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) bei der Kurvenanpassung die Formel: $P (ω) = \frac{U^{2}}{Z_{G e s a m t} (ω)}$
oder $P (ω) = I^{2.} Z_{G e s a m t} (ω)$
mit $Z_{G e s a m t} (ω) = \frac{1}{C_{1} ω} - \frac{1}{C_{2} ω} + \frac{1}{\frac{1}{R_{I S O}} + \frac{1}{R_{G e s a m t} + i L ω}}$
und $ω = 2 π$
als frequenzabhängige Leistungsmodellfunktion verwendet wird, wobei U die insbesondere am Ausgang der Wechselspannungsversorgungseinrichtung (9) gemessene Spannung, I der insbesondere hinter dem Ausgang der Wechselspannungsversorgungseinrichtung (9), vorzugsweise in der Zuführungsleitung (18), bevorzugt zwischen einem der Kondensatoren (21, 22) und der Wechselspannungsversorgungseinrichtung (9), gemessene Strom ist, Z_Gesamt(ѡ) die Gesamtimpedanz der Anordnung aus zumindest der Induktionsspule (10), der Verfahreinheit (11), der Zuführungsleitung (18) und den Kondensatoren (21, 22) ist, R_Gesamt der ohmsche Gesamtwiderstand ist, R_ISO der Isolationswiderstand ist, L die Induktivität der Induktionsspule (10) ist, C₁ und C₂ die Kapazitäten der Kondensatoren (21, 22) sind, und wobei U und I als konstant angenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) bei der Kurvenanpassung typische Wertebereiche für die freien Parameter oder eine vorgefertigte Kurve, die der zu ermittelnden Resonanzkurve ähnelt, berücksichtigt werden, um den Zeit- und Ressourcenaufwand der Kurvenanpassung zu reduzieren, wobei die typischen Wertebereiche und/oder die vorgefertigte Kurve in einer Lookup-Tabelle gespeichert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) die abrufbare Maximalleistung P_MAX aus der Resonanzkurve P_Resonanz (ѡ) bestimmt wird, indem die Höhe des Resonanzpeaks als Maximum der Resonanzkurve P_Resonanz (ѡ) algebraisch und/oder numerisch bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei unter Verwendung der in Schritt d) ermittelten abrufbaren Maximalleistung eine an der jeweiligen vorgegebenen Position der Induktionsspule (10) vorherrschende Wirk- und/oder Blindleistung bestimmt wird, und/oder Verfahren nach Anspruch 7 oder einem der Ansprüche 8 bis 9, sofern auf Anspruch 7 rückbezogen, wobei in Schritt d) unter Verwendung der ermittelten Gesamtimpedanz Z_Gesamt bei einer Resonanzfrequenz eine an der jeweiligen vorgegebenen Position der Induktionsspule (10) vorherrschende Wirk- und/oder Blindleistung bestimmt wird.
Vorrichtung (1) zur generativen Fertigung von Bauteilen (2) mit einer Plattform (4), die dazu vorgesehen ist, um darauf einen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff schichtweise aufzutragen, einer Primärheizeinrichtung (7), insbesondere eine Laserstrahlquelle (7) oder Elektronenstrahlquelle, die dazu ausgebildet ist, einen bevorzugt auf die Plattform (4) aufgetragenen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff aufzuschmelzen, einer Induktionsheizeinrichtung (8), die eine Wechselspannungsversorgungseinrichtung (9) mit einem Induktionsgenerator (16) sowie zumindest eine oberhalb der Plattform (4) verfahrbare Induktionsspule (10) aufweist und dazu ausgebildet ist, einen bevorzugt auf die Plattform (4) aufgetragenen pulver- oder drahtförmigen metallischen Werkstoff zu erwärmen, und einer Steuerung (27), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (27) dazu ausgebildet und/oder eingerichtet ist, den Induktionsgenerator (16) derart zu steuern, dass er an unterschiedlichen vorgegebenen Positionen der zumindest einen Induktionsspule (10) mit einer unterschiedlichen Leistung betrieben wird.
Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, bei dem die Vorrichtung (1) so gesteuert wird, dass diese ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchführt.
Speichermedium mit einem Programmcode, der dazu ausgebildet und/oder eingerichtet ist, bei Ausführen durch eine Recheneinrichtung eine Vorrichtung nach Anspruch 11 so zu steuern, dass diese ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchführt.