DE102019208697A1 - Process for additive manufacturing of a workpiece, control device and manufacturing device - Google Patents

Process for additive manufacturing of a workpiece, control device and manufacturing device Download PDF

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Abstract

Bei dem Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks wird additiv mit einer Auftragshöhe Material aufgetragen und ein bei der additiven Fertigung auftretender Schall erfasst und der Schall zur einer Ermittlung der Auftragshöhe herangezogen.Die Steuereinrichtung ist zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet und umfasst ein Erfassungsmittel zur Erfassung eines bei der additiven Fertigung auftretenden Schalls sowie eine Auswerteinheit für eine Bestimmung einer Die Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung weist eine solche Steuereinrichtung auf.In the method for additive manufacturing of a workpiece, material is applied additively with an application amount and a sound occurring during additive manufacturing is recorded and the sound is used to determine the application amount. The control device is designed to carry out such a method and comprises a detection means for detecting a Noise occurring in additive manufacturing and an evaluation unit for determining a The manufacturing device for additive manufacturing has such a control device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks, eine Steuereinrichtung sowie eine Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung.The invention relates to a method for additive manufacturing of a workpiece, a control device and a manufacturing device for additive manufacturing.

In den letzten Jahren gewinnen additive Fertigungsverfahren aufgrund der deutlich höheren Gestaltungsfreiheit im Produktdesign an Bedeutung.In recent years, additive manufacturing processes have become more important due to the significantly greater freedom in product design.

Bei der additiven Fertigung wirkt sich die Auftragshöhe abgeschiedenen Materials stark auf die Eigenschaften des gefertigten Bauteils und damit auf die Qualität des mit dem Bauteil gebildeten Produkts aus. Insbesondere beim Auftragsschweißen ist dieser Umstand relevant. Die Auftragshöhe kann während der Fertigung aufgrund von Störfaktoren stark schwanken, sodass bei zu starken Abweichungen in der Auftragshöhe ein hoher Anteil der gefertigten Werkstücke nicht verwendet werden kann. Gerade bei hochfunktionalen Materialen wie insbesondere spröden metallischen Legierungen tritt ein hoher Anteil an Ausschuss auf.In additive manufacturing, the amount of deposited material has a strong effect on the properties of the manufactured component and thus on the quality of the product formed with the component. This fact is particularly relevant for build-up welding. The order amount can fluctuate greatly during production due to disruptive factors, so that if the order amount deviates too much, a large proportion of the workpieces produced cannot be used. A high proportion of rejects occurs especially with highly functional materials such as brittle metallic alloys in particular.

Es ist bekannt, die Auftragshöhe während der Fertigung mittels laseroptischer Verfahren zu überwachen. Jedoch sind solche Verfahren apparativ aufwendig und teuer.It is known to monitor the order amount during production by means of laser-optical methods. However, such methods are complex and expensive in terms of equipment.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur additiven Fertigung anzugeben, bei welchem insbesondere eine Erfassung der Auftragshöhe einfach und kostengünstig möglich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Steuereinrichtung anzugeben, welche zur Durchführung eines solchen Verfahrens heranziehbar ist sowie eine verbesserte Fertigungseinrichtung anzugeben, mittels welcher insbesondere mit möglichst konstanter Auftragshöhe fertigbar ist.It is therefore the object of the invention to provide an improved method for additive manufacturing in which, in particular, the order amount can be recorded easily and inexpensively. A further object of the invention is to specify an improved control device which can be used to carry out such a method and to specify an improved production device by means of which, in particular, production can be carried out with the most constant possible application level.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur additiven Fertigung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Steuereinrichtung mit den in Anspruch 9 angegeben Merkmalen sowie mit einer Fertigungseinrichtung mit den in Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.This object of the invention is achieved with a method for additive manufacturing with the features specified in claim 1 and with a control device with the features specified in claim 9 and with a manufacturing device with the features specified in claim 11. Preferred developments of the invention are given in the associated subclaims, the following description and the drawing.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks wird additiv mit einer Auftragshöhe Material aufgetragen und ein bei der additiven Fertigung auftretender Schall erfasst. Erfindungsgemäß wird der Schall zur einer Ermittlung der Auftragshöhe herangezogen.In the method according to the invention for additive manufacturing of a workpiece, material is applied additively with an application amount and a sound occurring during additive manufacturing is recorded. According to the invention, the sound is used to determine the level of application.

Auf diese Weise kann eine Messung der Auftragshöhe besonders einfach und unaufwändig erfolgen. Erfindungsgemäß ist eine bei additiven Fertigungsverfahren häufig unter rauen Prozessbedingungen erfolgende optische Messung der Auftragshöhe verzichtbar. Stattdessen kann einfach eine akustische Messung der Auftragshöhe oder ihrer Änderung erfolgen. Dies erlaubt eine deutlich einfachere Überwachung der additiven Fertigung, da ansonsten erforderliche Anordnungen von optischen Vorrichtungen und vollständig entfallen können. Weiterhin vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach bei bereits bestehenden Fertigungseinrichtungen zur additiven Fertigung zum Einsatz kommen, da die Erfassung bei der additiven Fertigung auftretenden Schalls auch bei bereits bestehenden Fertigungsanlagen sehr leicht möglich ist.In this way, the application amount can be measured in a particularly simple and inexpensive manner. According to the invention, an optical measurement of the application height, which often takes place under rough process conditions in additive manufacturing processes, can be dispensed with. Instead, an acoustic measurement of the order amount or its change can simply be carried out. This allows a significantly easier monitoring of additive manufacturing, since otherwise required arrangements of optical devices and can be completely omitted. Furthermore, the method according to the invention can advantageously be used particularly easily in already existing manufacturing facilities for additive manufacturing, since the detection of noise occurring during additive manufacturing is very easily possible even in existing manufacturing plants.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Intensität und/oder ein Schalldruck des Schalls herangezogen. Dabei kann es sich insbesondere um eine Intensität und/oder einen Schalldruck des Schalls bei einer oder mehreren bestimmten Frequenzen oder aber um eine spektral integrierte Gesamtintensität oder einen Gesamtschalldruck des Schalls handeln.In the method according to the invention, an intensity and / or a sound pressure of the sound is preferably used. This can in particular be an intensity and / or a sound pressure of the sound at one or more specific frequencies or a spectrally integrated total intensity or a total sound pressure of the sound.

In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Schall spektral aufgelöst erfasst. So können Schallfrequenzen oder Schallfrequenzbereiche, bei welchen der Schall besonders sensitiv von der Auftragshöhe abhängt, isoliert berücksichtigt werden.In a preferred development of the method according to the invention, the sound is recorded in a spectrally resolved manner. In this way, sound frequencies or sound frequency ranges in which the sound is particularly sensitive to the application height can be considered in isolation.

Besonders bevorzugt wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung eine Änderung einer Eigenschaft des Schalls zur Ermittlung der Auftragshöhe herangezogen. So ändern sich bei abrupten Änderungen der Auftragshöhe die spektralen Komponenten des Schalls, insbesondere gewinnen höherfrequente Anteile des Schalls häufig einen größeren Anteil als niederfrequente Anteile des Schalls, wenn sich die Auftragshöhe sprunghaft erhöht. Auf diese Weise kann die Auftragshöhe vorzugsweise in Relation zu einer Schwellhöhe bestimmt werden, insbesondere derart, dass eine Erhöhung der Auftragshöhe über diese Schwellhöhe anhand des Schalls erkannt wird.In the method according to the invention, a change in a property of the sound is particularly preferably used to determine the application level. In the event of abrupt changes in the application level, the spectral components of the sound change; in particular, higher-frequency components of the sound often gain a greater share than low-frequency components of the sound when the application level increases suddenly. In this way, the application level can preferably be determined in relation to a threshold level, in particular in such a way that an increase in the application level above this threshold level is recognized on the basis of the sound.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zweckmäßig die ermittelte Auftragshöhe herangezogen, um mindestens einen Parameter der additiven Fertigung anzupassen, insbesondere derart, dass einer Änderung der Auftragshöhe entgegengewirkt wird. In dieser Weiterbildung der Erfindung kann folglich eine zeitlich besonders konstante Auftragshöhe erreicht werden, sodass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders präzise Strukturen fertigbar sind.In the method according to the invention, the determined order amount is expediently used in order to adapt at least one parameter of the additive manufacturing, in particular in such a way that a change in the order amount is counteracted. In this further development of the invention, an application level that is particularly constant over time can consequently be achieved, so that particularly precise structures can be produced with the method according to the invention.

Geeignet umfasst bei dem Verfahren gemäß der Erfindung der mindestens eine Parameter eine Auftragsrate und/oder eine Verfahrgeschwindigkeit eines Fertigungskopfs zur additiven Fertigung. So kann mittels der Auftragsrate die Auftragshöhe leicht eingestellt werden. Auch die Verfahrgeschwindigkeit bietet bei ansonsten konstanter Auftragsrate eine geeignete Stellgröße zur Stellung der Auftragshöhe, da bei einer höheren Verfahrgeschwindigkeit weniger Material je Verfahrwegseinheit aufgetragen wird.In the method according to the invention, the at least one parameter suitably comprises an order rate and / or a travel speed of a manufacturing head for additive manufacturing. The order amount can easily be adjusted by means of the order rate. With an otherwise constant application rate, the travel speed also offers a suitable manipulated variable for setting the application height, since less material is applied per travel unit at a higher travel speed.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die additive Fertigung mittels Auftragsschweißens, insbesondere mittels Laserauftragsschweißens. Gerade beim Auftragsschweißen, insbesondere beim Laserauftragsschweißen, ist eine Ermittlung der Auftragshöhe während der additiven Fertigung besonders anspruchsvoll und erfordert teure Lösungen. In dieser Weiterbildung ist das besonders kostengünstige und einfache erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft.In an advantageous development of the method according to the invention, additive manufacturing takes place by means of build-up welding, in particular by means of laser build-up welding. In the case of build-up welding, especially laser build-up welding, determining the amount of build-up during additive manufacturing is particularly demanding and requires expensive solutions. In this development, the particularly inexpensive and simple method according to the invention is particularly advantageous.

Die erfindungsgemäße Steuereinrichtung ist zur Durchführung eines Verfahrens wie zuvor beschrieben heranziehbar ausgebildet und umfasst ein Erfassungsmittel zur Erfassung eines bei der additiven Fertigung auftretenden Schalls sowie eine Auswerteinheit zur Bestimmung einer Auftragshöhe bei der additiven Fertigung gemäß einem Verfahren wie zuvor beschrieben. Geeigneterweise umfasst bei der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung der zumindest eine Parameter zumindest eine Auftragsrate bei der additiven Fertigung und/oder eine Verfahrgeschwindigkeit eines Fertigungskopfes zur additiven Fertigung.The control device according to the invention is designed to be used to carry out a method as described above and comprises a detection means for detecting a sound occurring in additive manufacturing and an evaluation unit for determining an order amount in additive manufacturing according to a method as described above. In the control device according to the invention, the at least one parameter suitably comprises at least one order rate in additive manufacturing and / or a travel speed of a manufacturing head for additive manufacturing.

Die erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung dient zur additiven Fertigung und weist eine Steuereinrichtung wie zuvor beschrieben auf.The manufacturing device according to the invention is used for additive manufacturing and has a control device as described above.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine erfindungsgemäße additive Fertigungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Fertigung schematisch in einer Prinzipskizze sowie
  • 2 einen mit der erfindungsgemäßen additiven Fertigungseinrichtung gem. 1 erfassten Schall bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer Prinzipskizze.
The invention is explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing. Show it:
  • 1 an additive manufacturing device according to the invention with a control device according to the invention for executing a method according to the invention for additive manufacturing schematically in a schematic diagram as well
  • 2 one according to the additive manufacturing device according to the invention. 1 detected sound in the execution of the method according to the invention schematically in a schematic diagram.

Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung 10 dient zur additiven Fertigung, im dargestellten Ausführungsbeispiel mittels Laserauftragsschweißens. Die Fertigungseinrichtung 10 umfasst eine Fertigungskammer 20, in welcher ein Schweißkopf 30 zum Laserauftragsschweißens vorhanden ist.In the 1 illustrated manufacturing device according to the invention 10 is used for additive manufacturing, in the illustrated embodiment by means of laser deposition welding. The manufacturing facility 10 includes a manufacturing chamber 20th , in which a welding head 30th is available for laser deposition welding.

Der Schweißkopf 30 ist mittels eines ansteuerbaren Schweißkopfhalters 60 in an sich bekannter Weise parallel zu einer Flachseite eines Substrats 40 verfahrbar, auf welcher der Schweißkopf 30 additiv Material aufträgt und somit additiv ein Werkstück 50 fertigt. Dabei wird das Material jeweils mit einer Auftragshöhe, d.h. mit einer Höhe in Richtung senkrecht zur Flachseite des Substrats 40, abgeschieden.The welding head 30th is by means of a controllable welding head holder 60 in a manner known per se, parallel to a flat side of a substrate 40 movable on which the welding head 30th Additively applies material and thus additively a workpiece 50 manufactures. The material is applied at an application height, ie with a height in the direction perpendicular to the flat side of the substrate 40 , deposited.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Material eine spröde intermetallische Legierung, welche mittels eines metallischen Pulvers gebildet wird, welches aus dem Schweißkopf 30 ausgebracht und mittels eines Lasers (nicht im Einzelnen dargestellt) verschweißt wird.In the illustrated embodiment, the material is a brittle intermetallic alloy, which is formed by means of a metallic powder which is extracted from the welding head 30th applied and welded by means of a laser (not shown in detail).

Wie in der Einzelheit E der 2 dargestellt wird der Schweißkopf 30 im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht zu zwei zuvor aufgetragenen geraden Spuren 70 abgeschiedenen Materials entlang eines Verfahrwegs 80 verfahren. Die Spuren 70 verlaufen parallel zueinander entlang jeweils gerader Strecken und bilden somit Unebenheiten des Werkstücks 50 aus, auf welchem mittels des Verfahrens des Schweißkopfs 30 entlang des Verfahrwegs 80 weiteres Material abgeschieden werden soll. Dabei ergibt sich die Herausforderung, dass die Unebenheiten des Untergrundes zu einer variierenden Auftragshöhe führen würden.As in the detail E the 2 the welding head is shown 30th in the exemplary embodiment shown, perpendicular to two previously applied straight tracks 70 deposited material along a travel path 80 proceed. The traces 70 run parallel to each other along straight lines and thus form unevenness of the workpiece 50 from which by means of the method of the welding head 30th along the travel path 80 further material is to be deposited. The challenge arises that the unevenness of the subsurface would lead to a varying application height.

Währen des Verfahrens des Schweißkopfs 30 entlang des Verfahrwegs 80 und des Abscheidens von Material auf dem Werkstück 50 entsteht Schall 90, welcher von einer erfindungsgemäßen Steuereinrichtung 100 erfasst wird. Die Steuereinrichtung 100 umfasst dazu ein Mikrophon 110. Das Mikrophon 110 wandelt den erfassten Schall in ein elektrisches Signal S um, welches den Schalldruck p in Abhängigkeit von der Frequenz ν und abhängig von der Zeit t mittels einer elektrischen Leitung 120 an eine Auswerteinrichtung 130 der Steuereinrichtung 100 übergibt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Schweißkopf 30 mit konstanter Geschwindigkeit verfahren, sodass die Zeit t proportional zur zurückgelegten Strecke s des Schweißkopfs 30 entlang des Verfahrwegs 80 ist. Die beiden Spuren 70 sind im elektrischen Signal S durch einen erhöhten Schalldruck bei nahezu sämtlicher Frequenzen ν im elektrischen Signal S zu erkennen. Der Schalldruck p steht dabei mit dem momentanen Abstand des Schweißkopfs 30 zu einer Oberfläche O des Substrats in einer monotonen Beziehung, d.h. eine Verringerung des Abstands des Schweißkopfs 30 zur Oberfläche O führt zu einem erhöhten Schalldruck über nahezu sämtliche Frequenzen.While the welding head is moving 30th along the travel path 80 and depositing material on the workpiece 50 creates sound 90 , which of a control device according to the invention 100 is captured. The control device 100 includes a microphone 110 . The microphone 110 converts the recorded sound into an electrical signal S, which determines the sound pressure p as a function of the frequency ν and as a function of the time t by means of an electrical line 120 to an evaluation device 130 the control device 100 hands over. In the illustrated embodiment, the welding head 30th move at constant speed so that the time t is proportional to the distance s covered by the welding head 30th along the travel path 80 is. The two tracks 70 can be recognized in the electrical signal S by an increased sound pressure at almost all frequencies ν in the electrical signal S. The sound pressure p corresponds to the current distance between the welding head 30th to a surface O of the substrate in a monotonic relationship, ie a decrease in the distance of the welding head 30th to the surface O leads to an increased sound pressure over almost all frequencies.

Das elektrische Signal S wird im dargestellten Ausführungsbeispiel dazu genutzt, die Auftragsrate des Schweißkopfs 30 anzupassen. Dabei wird die Auftragsrate derart angepasst, dass die Auftragshöhe von Material auf dem Werkstück 50 möglichst konstant bleibt. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann zusätzlich zur oder anstelle der Auftragsrate auch die Geschwindigkeit des Schweißkopfs 30 entlang des Verfahrwegs 80 eigestellt werden. Dazu ist die Auswerteinrichtung 130 mit dem ansteuerbaren Schweißkopfhalter 60 signalverbunden und übermittelt dem Schweißkopfhalter 60 ein Steuersignal zur Einstellung der Verfahrgeschwindigkeit. Vorliegend wird die Auftragsrate des Schweißkopfs 30 gestellt, beispielsweise mittels einer entsprechenden Ansteuerung eines nicht explizit dargestellten Pulverförderers, welcher das Material zum Laserauftragsschweißen zum Schweißkopf 30 fördert.In the exemplary embodiment shown, the electrical signal S is used to determine the application rate of the welding head 30th adapt. The application rate is adjusted so that the amount of material applied to the workpiece 50 remains as constant as possible. In further exemplary embodiments not specifically illustrated, the speed of the welding head can also be used in addition to or instead of the application rate 30th along the travel path 80 are set. The evaluation device is for this purpose 130 with the controllable welding head holder 60 connected to the signal and transmitted to the welding head holder 60 a control signal for setting the travel speed. The present is the deposition rate of the welding head 30th provided, for example by means of a corresponding control of a powder conveyor, not explicitly shown, which the material for laser deposition welding to the welding head 30th promotes.

Claims (11)

Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks (50), bei welchem additiv mit einer Auftragshöhe Material aufgetragen wird und ein bei der additiven Fertigung auftretender Schall erfasst wird und der Schall (90) zur einer Ermittlung der Auftragshöhe herangezogen wird.A method for additive manufacturing of a workpiece (50), in which material is applied additively with an application amount and a sound occurring during additive manufacturing is recorded and the sound (90) is used to determine the application amount. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem eine Intensität des Schalls (90) herangezogen wird.Procedure according to Claim 1 , at which an intensity of the sound (90) is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Schall (90) spektral aufgelöst erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, in which the sound (90) is detected in a spectrally resolved manner. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem eine Änderung einer Eigenschaft des Schalls (90) herangezogen wird.Method according to one of the preceding claims, in which a change in a property of the sound (90) is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die ermittelte Auftragshöhe herangezogen wird, mindestens einen Parameter der additiven Fertigung anzupassen, insbesondere derart, dass einer Änderung der Auftragshöhe entgegengewirkt wird.Method according to one of the preceding claims, in which the determined order amount is used to adapt at least one parameter of the additive manufacturing, in particular in such a way that a change in the order amount is counteracted. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der mindestens eine Parameter eine Auftragsrate und/oder eine Verfahrgeschwindigkeit eines Fertigungskopfs (30) zur additiven Fertigung umfasst.Method according to one of the preceding claims, in which the at least one parameter comprises an application rate and / or a travel speed of a manufacturing head (30) for additive manufacturing. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die additive Fertigung mittels Auftragsschweißens erfolgt.Method according to one of the preceding claims, in which the additive manufacturing takes place by means of build-up welding. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Auftragsschweißen Laserauftragsschweißen ist.Method according to one of the preceding claims, in which the build-up welding is laser build-up welding. Steuereinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend ein Erfassungsmittel (110) zur Erfassung eines bei einer additiven Fertigung auftretenden Schalls (90) sowie eine Auswerteinheit (130), welche den Schall (90) für eine Bestimmung einer Auftragshöhe heranzieht.Control device for performing a method according to one of the preceding claims, comprising a detection means (110) for detecting a sound (90) occurring in additive manufacturing and an evaluation unit (130) which uses the sound (90) to determine an order amount. Steuereinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem der zumindest eine Parameter zumindest eine Auftragsrate bei der additiven Fertigung und/oder eine Verfahrgeschwindigkeit eines Fertigungskopfs (30) zur additiven Fertigung umfasst.Control device according to the preceding claim, in which the at least one parameter comprises at least one order rate in additive manufacturing and / or a travel speed of a manufacturing head (30) for additive manufacturing. Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung mit einer Steuereinrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Manufacturing device for additive manufacturing with a control device (100) according to one of the preceding claims.
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