DE102020001398A1 - Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils und System zur Reparatur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (12) zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils (10) aus mehreren Bauteilschichten (Li) durch Konsolidieren des Bauteilausgangsmaterials durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels mindestens einer Energiequelle (11), wobei die Einbringung der Energie gemäß einer, vor dem Beginn der Fertigstellung einer Bauteilschicht (Li) definierten anfänglichen Pfadplanung (13) der oder jeder Energiequelle (11) für diese Bauteilschicht (Li) erfolgt und das Erstellen der Bauteilschicht (Li) in einem Prozessüberwachungssystem (22) überwacht wird und die Bauteilschicht (Li) mindestens zum Teil konsolidiert wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mit Nutzung von Daten aus dem Prozessüberwachungssystem (22) über den konsolidierten Teil der Bauteilschicht (Li), eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle (Dj) in der Bauteilschicht (L1) bestimmt wird und ein Reparaturbereich (Rj) innerhalb der Bauteilschicht (Li), der die Defektstelle (Dj) umfasst, bestimmt wird, und dass mindestens ein neuer Reparaturpfad (34) der Energiequelle (11), der in der anfänglichen Pfadplanung (13) für die Bauteilschicht (Li) nicht enthalten ist, innerhalb einer Kontur (35) des Reparaturbereichs (Rj) zwecks Reparatur der Defektstelle (Dj) durch Umschmelzen des Reparaturbereichs (Rj) generiert wird und dass die Reparatur durch Energieeinbringung gemäß dem neuen Reparaturpfad (34) zum Umschmelzen des Reparaturbereichs (Rj) während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (Li) und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht (Li+1) an der Bauteilschicht (Li) durchgeführt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus mehreren Bauteilschichten durch mehr mehrfaches inkrementelles Hinzufügen von pulver- oder drahtförmigem Bauteilausgangsmaterial und formgebendes Konsolidieren des Bauteilausgangsmaterials durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels mindestens einer Energiequelle gemäß dem Oberbegriff das Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein System zur Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht eines dreidimensionalen Bauteils gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
  • Als Bauteilausgangsmaterial eignen sich bei der vorliegenden Erfindung besonders, aber nicht ausschließlich, metallische Materialien, wie z.B. die Aluminiumlegierung AlSi10Mg, die Titanlegierung Ti64 oder Nickelbasislegierungen. Auch Kunststoffe, wie z.B. Polyamid 11 oder Polyamid 12, eignen sich als Bauteilausgangsmaterial.
  • Die Energie zum Schmelzen und/oder Sintern des Bauteilausgangsmaterials wird beispielsweise durch einen oder mehrere Laser beim selektiven Laserschmelzen (Laser beam Melting, LBM), einen oder mehrere Elektronenstrahlen beim Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting, EBM), einen Laser oder einen Lichtbogen bei den Verfahren zur Direct Energy Deposition (DED) eingebracht. Die oder jede Energiequelle bringt die Energie entlang einer (komplexen) Trajektorie, wie bei den DED-Verfahren, oder entlang eines Vektors, wie bei den pulverbett-basierten Verfahren, ein. Die Richtung der Trajektorie bzw. des Vektors der Energiequelle(n) definiert die Richtung der Konsolidierung (Verfestigung) des Bauteilausgangsmaterials in der aufgebauten Bauteilschicht. Die einzelnen Vektoren können vorgegebene Abstände voneinander aufweisen, die beispielsweise abhängig von einer Bestrahlungsenergie und/oder von dem zu verfestigenden Material sind.
  • Die einzelnen Bauteilschichten entstehen durch die Konsolidierung des Bauteilausgangsmaterials entlang von mindestens einer Trajektorie oder eines Vektors der Energiequelle(n). Im allgemeinen Fall, entsprechend der Komplexität der Trajektorien der Energiequelle(n), können die einzelnen Bauteilschichten eine dreidimensionale Geometrie besitzen, wie z.B. bei einigen DED-Verfahren. Bei den pulverbett-basierten Verfahren ist die Form der Bauteilschichten zweidimensional, wie z.B. bei dem selektiven Laserschmelzen. Die Bauteilschicht kann in einzelne Teilbereiche oder Segmente, z.B. Streifen oder rechteckige Inseln, aufgeteilt werden, die in einer vorgegebenen Reihenfolge bestrahlt werden. Die Art und Weise, in der die Bauteilschicht mittels Energieeinbringung anhand von Trajektorien oder Vektoren der Energiequelle konsolidiert wird, wird im Allgemeinen vor der Erstellung eines Bauteils oder einer Bauteilschicht festgelegt und als Pfadplanung bezeichnet (bei den pulverbett-basierten Verfahren wird die Pfadplanung häufig als „Hatching-Strategie“ bezeichnet). Dies wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als anfängliche Pfadplanung bezeichnet. Davon umfasst ist beispielsweise die Ansteuerung der Energiequelle zum Erstellen des Bauteils bzw. der einzelnen Bauteilschichten.
  • Das Erstellen einer oder mehrerer solcher Bauteilschichten wird üblicherweise mit einem Prozessüberwachungssystem, z.B. einer (Thermographie-)Kamera, überwacht. Mithilfe der Prozessüberwachung ist es beispielsweise möglich, auftretende Unregelmäßigkeiten im Aufbauprozess in einer Bauteilschicht zu erkennen. An den Stellen der Bauteilschicht, an welchen die Unregelmäßigkeiten im Signal des Überwachungssystems fixiert werden, werden Defektstellen vermutet. Unter einer Defektstelle werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung die Stellen mit Imperfektionen im konsolidierten Material, wie Poren, Luft- oder Gaseinschlüsse, Risse, Binderfehler und die im konsolidierten Material eingeschlossenen nicht- oder nur teilweise geschmolzenen Pulverteilchen verstanden, aber auch die Stellen mit Imperfektionen an der Oberfläche, wie Materialanhäufungen, Teilchen, die aufgrund der Spritzer-Bildung entstehen, und große koagulierte Teilchen (so genannten Balls), die aufgrund des Balling-Effektes ausgebildet und an die Oberfläche angeheftet worden sind. Ein unregelmäßiges Signal des Überwachungssystems kann nicht nur von einer Defektstelle verursacht werden, weil das Signal auch von den anderen lokalen Prozessbedingungen beeinflusst werden kann (z.B. lokale Bauteilgeometrie). Dennoch zeigt der Vergleich der Stellen mit dort fixierten Unregelmäßigkeiten häufig eine sehr gute Übereinstimmung mit den tatsächlichen Defektstellen, die nach dem Aufbauprozess mit Hilfe von Computer-Tomographie im aufgebauten Bauteil nachgewiesen werden.
  • Zwar können im Stand der Technik mit Hilfe eines Prozessüberwachungssystems die Stellen mit Unregelmäßigkeiten im Aufbauprozess festgestellt werden, jedoch wird dies höchstens dazu genutzt, eine Aussage über die Qualität der fertiggestellten Bauteilschicht und/oder des fertiggestellten Bauteils zu machen. Dadurch können qualitativ minderwertige Bauteile gegebenenfalls nicht fertiggestellt bzw. aussortiert werden. Der Verlust des bereits verfestigten Bauteilmaterials und der dafür benötigten Fertigungszeit können die Effizienz des Fertigungsverfahrens allerdings maßgeblich verschlechtern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils bereitzustellen, mit dem die Effizienz der Fertigung verbessert werden kann oder mit dem zumindest Bauteile in einer besseren Qualität gefertigt werden können.
  • Für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils ist gemäß Anspruch 1 daher vorgesehen, dass mit Nutzung von Daten aus dem Prozessüberwachungssystem über den konsolidierten Teil der Bauteilschicht eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle in der Bauteilschicht bestimmt wird und dass ein Reparaturbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, bestimmt wird. Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mindestens ein neuer Reparaturpfad der Energiequelle, der in der anfänglichen Pfadplanung für die Bauteilschicht nicht enthalten ist, innerhalb einer Kontur des Reparaturbereichs zwecks Reparatur der Defektstelle durch Umschmelzen des Reparaturbereichs generiert wird, und dass die Reparatur durch Energieeinbringung gemäß dem neuen Reparaturpfad zum Umschmelzen des Reparaturbereichs während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht an der Bauteilschicht durchgeführt wird.
  • Mithilfe des mindestens einen neuen Reparaturpfads wird somit erneut Energie in die bereits verfestigte Bauteilschicht eingebracht, und zwar in dem Bereich, in dem sich die aufgefundene Defektstelle befindet. Der neue Reparaturpfad ist ein Bestrahlungspfad, der für den auf Basis der Daten des Prozessüberwachungssystems und deren Auswertung bestimmten Reparaturbereich neu generiert wird. Der neue Reparaturpfad kann unabhängig von der anfänglichen Pfadplanung für diesen Bereich generiert werden.
  • Die Defektstelle wird also repariert, indem das bereits verfestigte Bauteilmaterial entlang des mindestens einen neuen Reparaturpfads durch die Energieeinbringung erneut aufgeschmolzen und wieder konsolidiert wird. Dieser Vorgang wird hier und im Folgenden auch als „Umschmelzen“ bezeichnet. Der Reparaturbereich wird durch eine Kontur begrenzt. Für die Reparatur wird mindestens ein neuer Reparaturpfad innerhalb der Kontur des Reparaturbereichs generiert, wobei die Anzahl der neuen Reparaturpfade z.B. von der Ausbreitung des Reparaturbereichs abhängig sein kann.
  • Das Verfahren ermöglicht auf diese Weise eine Reparatur von Defektstellen in mindestens einer Bauteilschicht, so dass die Qualität des gesamten gefertigten Bauteils verbessert werden kann. Ein möglicher Ausschuss kann auf diese Weise gering gehalten werden.
  • Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung kann darin bestehen, dass die Reparatur während oder direkt nach der Fertigstellung der Bauteilschicht vorgenommen werden kann. Die Defektstelle kann dann besonders einfach erreicht werden. Wenn mehr als eine Energiequelle zur Verfügung stehen, kann bereits während der Fertigung der Bauteilschicht, beispielsweise mittels einer ersten Energiequelle, gleichzeitig die Reparatur, beispielsweise mittels einer zweiten Energiequelle, durchgeführt werden. Auf diese Weise entstehen trotz Reparatur keine wesentlichen zeitlichen Verzögerungen bei der Fertigung des gesamten Bauteils.
  • Der Reparaturbereich wird vorteilhafterweise lokal um die Defektstelle ausgelegt und seine Fläche ist bevorzugt kleiner als die Fläche, die durch eine geschlossene Kontur der Bauteilschicht begrenzt wird, in welcher sich die Defektstelle befindet. In diesem Fall wird die für die Reparatur benötigte Fläche der Energieeinbringung so gering wie möglich gehalten.
  • Im allgemeinen Fall kann eine Bauteilschicht aus mehreren geschlossenen Konturen bestehen. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist der Reparaturbereich mit einer geschlossenen Kontur der Bauteilschicht, in der sich die Defektstelle befindet, identisch. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Defektstelle in der Bauteilschicht von der Reparatur erfasst wird. Diese Ausführungsvariante ist insbesondere für die Fälle vorgesehen, bei denen die Fläche der Defektstelle vergleichbar mit der Fläche der geschlossenen Kontur der Bauteilschicht ist. In solchen Fällen kann es sinnvoller sein, zwecks einer besseren Homogenität in der reparierten Kontur, die komplette geschlossene Kontur erneut umzuschmelzen. In solchen Fällen werden die Reparaturpfade innerhalb einer bereits bekannten geschlossenen Kontur der Bauteilschicht erstellt, in der sich die Defektstelle befindet.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass der Reparaturbereich aus allen geschlossenen Konturen der Bauteilschicht besteht. Dadurch wird durch die Reparatur eine besonders homogene Bauteilschicht erreicht, auch wenn sich die Defektstelle nur in einer der geschlossenen Konturen befindet. Auch hier können die für die Reparatur benötigten neuen Reparaturpfade für eine bereits bekannte Kontur erstellt werden.
  • In vorteilhaften Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass sich ein Muster der neuen Reparaturpfade von einem Muster der anfänglichen Pfadplanung für die Bauteilschicht an der Defektstelle unterscheidet. So können sich die Trajektorien der Reparaturpfade beispielsweise durch ihre Richtung, Länge oder Form von den Trajektorien gemäß der anfänglichen Pfadplanung unterscheiden. Auf diese Weise kann die Defektstelle besonders effektiv repariert werden.
  • Die Parameter der Energiequelle bei der Energieeinbringung gemäß des neuen Reparaturpfades können sich von den entsprechenden Parametern der Energiequelle bei der Energieeinbringung gemäß der anfänglichen Pfadplanung für die Bauteilschicht an der Defektstelle unterscheiden. Dies betrifft beispielsweise eine Leistung und/oder eine Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Fokuslage der Energiequelle und hat den Vorteil, dass die Reparatur besonders effizient und effektiv durchgeführt werden kann. Beispielsweise können die Parameter so ausgewählt werden, dass an der Defektstelle das Material tiefer umgeschmolzen wird, als es bei der Erstellung dieser Bauteilschicht umgeschmolzen war.
  • Außerdem kann vorgesehen sein, dass eine durch Anwenden des oder jedes neuen Reparaturpfades der Energiequelle reparierte Bauteilschicht von dem Prozessüberwachungssystem überprüft wird, und dass beim Identifizieren mindestens einer neuen Defektstelle in der bereits reparierten Bauteilschicht mindestens ein weiterer neuer Reparaturpfad der Energiequelle zur Reparatur der neuen Defektstelle generiert wird und die Reparatur der neuen Defektstelle vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht an der Bauteilschicht durchgeführt wird. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob eine Reparatur der Bauteilschicht erfolgreich war und gegebenenfalls eine erneute Reparatur durchgeführt werden, um die Qualität des Bauteils weiter zu verbessern. Die Anzahl der Reparaturen, die für eine Defektstelle oder eine Bauteilschicht ausgeführt werden, kann begrenzt werden, so dass beispielsweise maximal zwei Reparaturen für eine Defektstelle durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Bedingungen festgelegt werden, die eine gelungene Reparatur einer Defektstelle charakterisieren, so dass eine Entscheidung, ob eine erneute Reparatur der Bauteilschicht durchgeführt wird, anhand der Erfüllung dieser Bedingungen getroffen werden kann. Eine solche Entscheidung kann automatisch vorgenommen werden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt als weitere Aufgabe zugrunde, ein System zur Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht eines dreidimensionalen Bauteils anzugeben, das Daten von einem Prozessüberwachungssystem, das die Konsolidierung der Bauteilschicht überwacht, besonders effektiv nutzen kann.
  • Das erfindungsgemäße System enthält daher ein Reparaturvorbereitungssystem, welches der Bauteilschicht zugeordneten Daten aus dem Prozessüberwachungssystem während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht empfängt, mit Nutzung der Daten aus dem Prozessüberwachungssystem eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle in der Bauteilschicht bestimmt und einen Reparaturbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, auslegt. Das Reparaturvorbereitungssystem generiert außerdem mindestens einen neuen Reparaturpfad der Energiequelle, der in der anfänglichen Pfadplanung für die Bauteilschicht nicht enthalten ist, zwecks Reparatur der Defektstelle in der Bauteilschicht und übermittelt die Daten des mindestens einen neuen Reparaturpfades, welche mindestens die Trajektorie der Energiequelle in der Bauteilschicht beinhalten, an das Steuerungssystem der mindestens einen Energiequelle zur Reparatur der Defektstelle.
  • Durch das erfindungsgemäße System können im Stand der Technik bereits vorhandene Daten effektiv genutzt werden und so zur Verbesserung der Qualität und Effizienz der Fertigung eines Bauteils beitragen. Das System kann als Hardware oder Software insbesondere Plug-In) in eine bestehende Fertigungsvorrichtung bzw. das Steuerungssystem zur Ansteuern der mindestens einen Energiequelle integriert oder mit diesem gekoppelt werden, beispielsweise als Hardware-Modul oder Datenträger, der ein Computerprogramm enthält, oder als Software-Komponente, die für eine bestehende Software, die für die Fertigung eines Bauteils zum Einsatz kommt, installiert werden kann. Im Wesentlichen umfasst das erfindungsgemäße System eine Auswertung der Prozessüberwachungsdaten und einer darauf basierenden (erweiterten) Ansteuerung von vorhandenen oder gegebenenfalls zusätzlichen Energiequelle(n). Die aus dem Stand der Technik bekannten Fertigungsvorrichtungen lassen sich somit auf einfache Weise erweitern und verbessern.
  • Das Steuerungssystem empfängt die Daten des mindestens eines neuen Reparaturpfades vorteilhafterweise während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht aus dem Reparaturvorbereitungssystem und ist bevorzugt derart ausgelegt, dass die Reparatur der Defektstelle während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht an der Bauteilschicht durchgeführt wird. Dadurch kann die Defektstelle besonders effektiv repariert werden. Insbesondere wenn mehr als eine Energiequelle zur Verfügung stehen, können diese einerseits zur Fertigung der Bauteilschicht und andererseits zur (zeitgleichen) Reparatur der Defektstelle angesteuert werden. So kann eine zeitliche Verzögerung bis zur Erstellung der nächsten Bauteilschicht besonders gering gehalten werden.
  • In vorteilhaften Ausführungsformen wird der Reparaturbereich von dem Reparaturvorbereitungssystem lokal um die Defektstelle so ausgelegt, dass eine Fläche des Reparaturbereichs kleiner ist als eine Fläche, die durch eine geschlossene Kontur der Bauteilschicht begrenzt wird, in welcher sich die Defektstelle befindet. Dies kann sich vorteilhaft auf die Ansteuerung der Energiequelle(n) auswirken, um so viel wie nötig, aber so wenig wie möglich Energie und Prozesszeit für die Reparatur einzusetzen.
  • In anderen vorteilhaften Ausführungsformen ist der von dem Reparaturvorbereitungssystem ausgelegte Reparaturbereich mit einer geschlossenen Kontur der Bauteilschicht, in der sich die Defektstelle befindet, identisch. Für die Ansteuerung der Energiequelle(n) kann dann auf die bereits bekannte Kontur der zu reparierenden Bauteilschicht zurückgegriffen werden. Diese Ausführungsvariante ist insbesondere für die Fälle vorgesehen, bei denen die Fläche der Defektstelle vergleichbar mit der Fläche der geschlossenen Kontur der Bauteilschicht ist. In solchen Fällen kann es sinnvoller sein, zwecks einer besseren Homogenität in der reparierten Kontur, die komplette Kontur erneut umzuschmelzen.
  • Vorteilhafterweise kann der von dem Reparaturvorbereitungssystem ausgelegte Reparaturbereich aus allen geschlossenen Konturen der Bauteilschicht bestehen, da auch hier zur Ansteuerung der Energiequellen auf die vorhandenen Konturdaten zurückgegriffen werden kann. Dadurch wird durch die Reparatur eine besonders homogene Bauteilschicht erreicht, auch wenn sich die Defektstelle nur in einer der geschlossenen Konturen befindet.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Reparaturvorbereitungssystem die neuen Reparaturpfade an der Defektstelle nach einem Muster generiert, welches sich von einem Muster der anfänglichen Pfadplanung für die Bauteilschicht an der Defektstelle unterscheidet. Das für die Reparatur vorgesehene neue Muster kann beispielsweise Trajektorien der Energiequelle umfassen, die sich durch ihre Richtung, Länge oder Form von den Trajektorien der Energiequellen gemäß der anfänglichen Pfadplanung unterscheiden und dadurch eine besonders effektive Reparatur der Defektstelle ermöglichen.
  • Vorteilhafterweise generiert das Reparaturvorbereitungssystem zusätzlich oder alternativ die Parameter, z.B. die Leistung und/oder die Vorschubgeschwindigkeit und/oder Fokuslage, der Energiequelle bei der Energieeinbringung gemäß des neuen Reparaturpfades so, dass sie sich von den entsprechenden Parametern der Energiequelle bei der Energieeinbringung gemäß der anfänglichen Pfadplanung für die Bauteilschicht an der Defektstelle unterscheiden. Dadurch kann die Reparatur besonders effizient und effektiv durchgeführt werden.
  • In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist eine reparierte Bauteilschicht von dem Prozessüberwachungssystem überprüfbar, und ist bei Auftreten mindestens einer neuen Defektstelle in der reparierten Bauteilschicht mindestens ein weiterer neuer Reparaturpfad zur Reparatur der mindestens einer neuen Defektstelle von dem Reparaturvorbereitungssystem generierbar, und ist die Reparatur vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht an der Bauteilschicht vom Steuerungssystem durchführbar. Auf diese Weise kann eine erneute Reparatur initialisiert werden, um die Fertigung des Bauteils weiter zu verbessern. Auch hier können die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Bedingungen der erfolgreichen Reparatur einer Defektstelle berücksichtigt werden, um unnötige Reparaturen zu vermeiden.
  • Das System ist somit zur Ausführung der in dem weiter oben angegebenen Verfahren und seinen vorteilhaften Ausführungsformen beschriebenen Reparatur von Defektstelle(n) in der Bauteilschicht ausgebildet oder geeignet.
  • In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Bauteilschicht zumindest im Reparaturbereich vorgewärmt wird. Mögliche Weiterbildungen der Erfindung, die ein solches Vorwärmen umfassen, werden im Folgenden angegeben.
  • Es kann vorgesehen sein, dass ein Vorwärmbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, bestimmt wird und dass ein Reparaturbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, bestimmt wird. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Vorwärmbereich mittels einer Energieeinbringung in den Vorwärmbereich auf eine Vorwärmtemperatur, die im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und einer Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials liegt, vorgewärmt wird und dass der Reparaturbereich während oder nach der Energieeinbringung in den Vorwärmbereich zwecks Reparatur der Defektstelle mittels einer Energieeinbringung in den Reparaturbereich umgeschmolzen wird. Dabei kann außerdem vorgesehen sein, dass die Energieeinbringung in den Vorwärmbereich und den Reparaturbereich während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht erfolgt.
  • Durch das Vorwärmen des Vorwärmbereichs, der vorteilhafterweise den Reparaturbereich umfasst, können während der Reparatur auftretende thermisch-bedingte Eigenspannungen und Dehnungen des Bauteilmaterials innerhalb des Reparaturbereichs reduziert werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass bei der Reparatur neue Defekte entstehen, wird dadurch verringert. Auf diese Weise kann die Reparatur noch effektiver erfolgen und die fertigen Bauteile weisen eine verbesserte Qualität auf. Ein möglicher Ausschuss kann auf diese Weise besonders gering gehalten werden.
  • Das Vorwärmen und die anschließende Reparatur können während oder direkt nach der Fertigstellung der Bauteilschicht vorgenommen werden, also vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht. Die Defektstelle kann dann besonders einfach erreicht werden und eine Ausbreitung oder Fortsetzung der Defektstelle in weitere(n) Bauteilschichten kann so verhindert werden. Wenn mehr als eine Energiequelle zur Verfügung stehen, kann bereits während der Fertigung der Bauteilschicht, beispielsweise mittels einer ersten Energiequelle, gleichzeitig das Vorwärmen und die Reparatur, beispielsweise mittels einer zweiten Energiequelle, durchgeführt werden. Auf diese Weise entstehen trotz Vorwärmen und Reparatur keine wesentlichen zeitlichen Verzögerungen bei der Fertigung des gesamten Bauteils.
  • Vorteilhafterweise umfasst der Vorwärmbereich den Reparaturbereich oder ist mit dem Reparaturbereich identisch. So wird sichergestellt, dass der gesamte zum Umschmelzen zwecks Reparatur vorgesehene Bereich auf der Bauteilschicht vollständig vorgewärmt wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Vorwärmbereich mit einer Energiequelle vorgewärmt wird und der Reparaturbereich mit derselben Energiequelle umgeschmolzen wird. Die Energiequelle kann außerdem dieselbe sein, die auch für die Fertigung des Bauteils eingesetzt wird.
  • In alternativen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Vorwärmbereich mit einer Energiequelle vorgewärmt wird und der Reparaturbereich mit einer anderen Energiequelle oder mit mehreren anderen Energiequellen umgeschmolzen wird. Dann kann beispielsweise während des Vorwärmens die Fertigung der aktuellen Bauteilschicht fortgesetzt werden oder es kann parallel zum Vorwärmen begonnen werden, den bereits vorgewärmten Bereich des Reparaturbereichs zwecks Reparatur umzuschmelzen. Auf diese Weise können reparaturbedingte zeitliche Verzögerungen bei der Bauteilfertigung minimiert werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs eine Konturbelichtung des Vorwärmbereichs oder eine bidirektionale Belichtung innerhalb der Kontur des Vorwärmbereichs verwendet wird. Dadurch kann der Vorwärmbereich besonders effektiv vorgewärmt werden.
  • Vorteilhafterweise erfolgt die Energieeinbringung in den Vorwärmbereich vor und während des Umschmelzens des Reparaturbereichs. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Temperatur des Bauteilmaterials im Vorwärmbereich und/oder im Reparaturbereich zu schnell abfällt. So lässt sich ein besseres Reparaturergebnis erzielen.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Vorwärmbereich oder der Reparaturbereich nach dem Umschmelzen des Reparaturbereichs für eine vorgegebene Zeitspanne im Temperaturbereich zwischen der Raumtemperatur und der Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials gehalten wird, indem in den Vorwärmbereich oder den Reparaturbereich eine Nachwärmeenergie mittels einer oder mehreren Energiequellen eingebracht wird. Dies hat den Vorteil, dass durch die langsamere, kontinuierliche Reduktion der Energieeinbringung nach der Reparatur hohe Abkühlraten vermieden werden. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit verringert, dass sich in dem reparierten Bereich eine neue Defektstelle ausbildet, so dass das Reparaturergebnis noch weiter verbessert wird. Besonders vorteilhaft ist diese Ausführungsvariante für die Reparatur solcher Defekte wie Heißrisse. Die Verringerung der Abkühlraten wird zur Reduktion der akkumulierten thermisch-bedingten Zugdehnungen im Temperaturbereich zwischen der Liquidus- und der Solidus-Temperatur des Bauteilmaterials führen und damit automatisch die Gefahr der erneuten Heißrissbildung während der Reparatur verringern.
  • In vorteilhaften Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass wenn mindestens zwei Defektstellen in einem vorgegebenen Abstand voneinander in der Bauteilschicht auftreten, der Vorwärmbereich und der Reparaturbereich derart bestimmt werden, dass sie die mindestens zwei Defektstellen umfassen. Die Reparatur von den mindestens zwei Defektstellen in der Bauteilschicht kann dadurch besonders effektiv und effizient durchgeführt werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Reparaturvorbereitungssystem den Vorwärmbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, und den Reparaturbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, auslegt. Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Reparaturvorbereitungssystem den mindestens einen neuen Vorwärmpfad für mindestens eine Energiequelle innerhalb einer Kontur des Vorwärmbereichs zwecks Vorwärmens des Vorwärmbereichs und den mindestens einen neuen Reparaturpfad für mindestens eine Energiequelle innerhalb einer Kontur des Reparaturbereichs zwecks Reparatur der Defektstelle in der Bauteilschicht generiert und die Daten des mindestens einen neuen Vorwärmpfades zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs, und die Daten des mindestens einen neuen Reparaturpfades zum Umschmelzen des Reparaturbereichs an das Steuerungssystem übermittelt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Steuerungssystem die Daten des mindestens einen neuen Vorwärmpfades zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs und die Daten des mindestens einen neuen Reparaturpfades zum Umschmelzen des Reparaturbereichs während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht aus dem Reparaturvorbereitungssystem empfängt und dass das Steuerungssystem derart ausgelegt ist, dass das Vorwärmen des Vorwärmbereichs und Umschmelzen des Reparaturbereichs während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht auf die Bauteilschicht angewendet wird. Dadurch kann die Defektstelle besonders effektiv repariert werden. Insbesondere wenn mehr als eine Energiequelle zur Verfügung stehen, können diese einerseits zur Fertigung der Bauteilschicht und andererseits zum (zeitgleichen) Vorwärmen und Umschmelzen der Defektstelle angesteuert werden. So kann eine zeitliche Verzögerung bis zur Erstellung der nächsten Bauteilschicht besonders gering gehalten werden.
  • Weitere bevorzugte Einzelheiten der Erfindung sind der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung der Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils mit mehreren Bauteilschichten, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann,
    • 2 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens in einer schematischen Darstellung,
    • 3 ein erstes Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß 2,
    • 4 ein zweites Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß 2,
    • 5 ein drittes Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß 2,
    • 6 ein erstes Beispiel für eine Reparatur von mehreren Defektstellen in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß 2, und
    • 7 ein zweites Beispiel für eine Reparatur von mehreren Defektstellen in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß 2.
  • Die Erfindung befasst sich mit der additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils 10. Das zu fertigende Bauteil 10 besteht aus mehreren Bauteilschichten Li , die von einer ersten Schicht (i = 1) bis zu einer letzten Schicht (i = n) mit Hilfe von additiven Verfahren übereinander aufgebaut werden. Die Fertigung erfolgt durch mehrfaches inkrementelles Hinzufügen von pulver- oder drahtförmigem Bauteilausgangsmaterial, welches durch selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels mindestens einer Energiequelle 11 konsolidiert wird. Die Anzahl (n) der Schichten wird im Allgemeinen vor der Fertigung bestimmt.
  • 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 12 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils 10 in einer schematischen Darstellung. Im Vorfeld der vorliegenden Erfindung wird für das gesamte Bauteil 10 eine anfängliche Pfadplanung 13 für jede zu erstellende Bauteilschicht Li entwickelt. Dies wird auch als Pre-Processing bezeichnet und ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Erfindung wird die anfängliche Pfadplanung 13 für das gesamte Bauteil 10 vorgegeben und in einem ersten Schritt 14 an ein Steuerungssystem 15 übertragen. Dies ist der Übergang vom Pre-Processing zum eigentlichen Aufbauprozess. Mit dem Steuerungssystem 15 wird die mindestens eine Energiequelle 11 (1) angesteuert, so dass Energie gemäß der anfänglichen Pfadplanung 13 in das Bauteilausgangsmaterial eingebracht wird. Die anfängliche Pfadplanung 13 umfasst dabei im Allgemeinen eine Mehrzahl von Pfaden, die beispielsweise eine Richtung, eine Länge und/oder einen Abstand von Bestrahlungsvektoren 16 (1) angeben.
  • Wie in 1 schematisch dargestellt, wird die Energie entlang der Bestrahlungsvektoren 16, z.B. mittels Laserstrahlung oder Elektronenstrahlung aus der Energiequelle 11, in das Bauteilausgangsmaterial eingebracht. Man spricht auch von einem Muster (auch Hatching oder Hatching-Strategie) der anfänglichen Pfadplanung 13, das sich aus der Kombination der Bestrahlungsvektoren 16 für mindestens einen Bereich der zu fertigenden Bauteilschicht ergibt. In 1 sind beispielhaft drei Bereiche (Streifen) 17, 18, 19 der (zu erstellenden) Bauteilschicht Li dargestellt, in die mit der Energiequelle 11 Energie, z.B. in Form von Strahlung, entlang der Bestrahlungsvektoren 16 eingebracht wird. Es werden im Allgemeinen die direkt nebeneinander liegenden Bestrahlungsvektoren 16 nacheinander in einer bestimmten Richtung abgearbeitet. Die Reihenfolge der Abarbeitung der Bestrahlungsvektoren 16 kann in dem Steuerungssystem 15 in geeigneter Weise festgelegt werden. Wenn Energie mit mehr als einer Energiequelle 11 in die Bauteilschicht eingebracht wird, können beispielsweise auch zwei oder mehrere der Bereiche 17, 18, 19 der Bauteilschicht Li gleichzeitig bestrahlt und somit konsolidiert werden.
  • Eine anfängliche Pfadplanung 20 für die aktuell zu erstellende Bauteilschicht Li ist von dem Steuerungssystem 15 abrufbar, so dass in einem nächsten Schritt 21 des Verfahrens das Bauteilausgangsmaterial zur Erstellung dieser Bauteilschicht Li konsolidiert wird.
  • Die Fertigung des Bauteils 10 wird in einem Prozessüberwachungssystem 22 überwacht. Folglich wird in einem weiteren Schritt 23 auch das Erstellen, d.h. das Konsolidieren, der aktuellen Bauteilschicht Li mit dem Prozessüberwachungssystem 22 überwacht. Bei dem Prozessüberwachungssystem 22 kann es sich beispielsweise um eine Thermographiekamera handeln, die eine oder mehrere Aufnahmen von der Bauteilschicht Li oder einem Bereich auf der Bauteilschicht Li macht. Der Bereich, der von dem Prozessüberwachungssystem 22 überwacht wird, kann sich z.B. auf den bereits konsolidierten Teil der Bauteilschicht Li beschränken.
  • Bis zu diesem Schritt entspricht das Fertigungsverfahren den im Stand der Technik bekannten Verfahren. Daten, die bei der Prozessüberwachung gesammelt werden, werden üblicherweise genutzt, um allgemeine Aussagen oder Informationen über die Qualität des Fertigungsverfahrens oder des fertigen Bauteils zu treffen oder zu sammeln.
  • Hier setzt nun das erfindungsgemäße Verfahren ein, um die Qualität des fertigen Bauteils gezielt zu verbessern. In einem nächsten Schritt 24 werden demnach Daten vom Prozessüberwachungssystem 22, die im vorhergehenden Schritt 23 gesammelt wurden, an ein Reparaturvorbereitungssystem 25 übertragen. Dies kann erfolgen, sobald Überwachungsdaten der aktuell zu fertigenden Bauteilschicht Li vorliegen, also wenn diese mindestens zum Teil konsolidiert wurde. Das Reparaturvorbereitungssystem 25 ist Teil des erfindungsgemäßen Systems zur Reparatur einer Defektstelle Dj in einer Bauteilschicht Li .
  • Die Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle Dj wird in einem nächsten Schritt 26 bestimmt. Dieser Schritt 26 kann beinhalten, dass eine Defektstelle Dj zunächst identifiziert wird. Typische Defektstellen Dj in Bauteilschichten umfassen beispielsweise Bindefehler, Poren, Risse und Einschlüsse aber auch die Imperfektionen an der Oberfläche, wie relativ große Teilchen, die aufgrund des Balling-Effektes oder der Spritzer-Bildung ausgebildet und an die Oberfläche angeheftet worden sind. Gegebenenfalls kann eine Klassifikation der Defektstelle vorgenommen werden und eine Defektstelle anhand der Klassifikation identifiziert oder verworfen werden. In diesem Schritt 26 können außerdem weitere mögliche Defektstellen Dj (mit j ≠ 1) sowie eine Gesamtzahl der Defektstellen Dj (mit j = jmax) in dem konsolidierten Teil der Bauteilschicht Li identifiziert und lokalisiert werden.
  • In einer Abfrage 27 kann durch das Reparaturvorbereitungssystem 25 die Gesamtzahl der Defektstellen abgefragt werden. Wenn in der gesamten Bauteilschicht Li keine Defektstellen Dj identifiziert werden konnten, erfolgt in einem nächsten möglichen Schritt 28 eine Überführung zur nächsten Bauteilschicht Li+i. Ein Zähler 29 der Bauteilschichten Li wird erhöht und es folgt eine Abfrage 30, beispielsweise durch das Steuerungssystem 15, ob bereits die letzte Bauteilschicht Li mit i = n erstellt wurde. Ist dies der Fall, wird in einem folgenden Schritt 31 der Fertigungsprozess beendet, so dass das Bauteil 10 fertiggestellt ist.
  • Falls noch (mindestens) eine weitere Bauteilschicht Li+1 auf der Bauteilschicht Li erstellt wird, folgt nach Erhöhung des Zählers 29 die Konsolidierung der neuen Bauteilschicht Li gemäß Schritt 21 sowie die vorhergehend beschriebenen Schritte 23, 24, 26 bis zu einer Abfrage 27 der Defektstellen für die neue Bauteilschicht Li .
  • Ist allerdings mindestens eine Defektstelle Dj in der Bauteilschicht Li vorhanden, wird zunächst ein Zähler 32 für eine Anzahl der Reparaturen der mindestens einen Defektstelle Dj initiiert, d.h. auf Null gesetzt. In einem nächsten Schritt 33 wird bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens von dem Reparaturvorbereitungssystem ein Reparaturbereich Rj (3) innerhalb der Bauteilschicht Li bestimmt, der die Defektstelle Dj umfasst.
  • Außerdem wird mindestens ein neuer Reparaturpfad 34 (3) der Energiequelle 11 innerhalb einer Kontur 35 (3) des Reparaturbereichs Dj generiert. Da in der anfänglichen Pfadplanung 13 eine Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht Li nicht vorgesehen war, ist der mindestens eine neue Reparaturpfad 34 darin nicht vorgesehen. Es handelt sich also um einen neu generierten Pfad, der speziell auf die Energieeinbringung in den Reparaturbereich Rj ausgerichtet ist. Je nach Größe des Reparaturbereichs Rj können auch mehrere neue Reparaturpfade 34 generiert werden, so dass der Reparaturbereich Rj möglichst komplett mit neuen Reparaturpfaden 34 ausgelegt ist, um eine effektive Reparatur durch Umschmelzen des gesamten Reparaturbereichs Rj zu erzielen.
  • In optionalen Ausführungsformen des Verfahrens kann in Schritt 33 von dem Reparaturvorbereitungssystem 25 auch ein Vorwärmbereich Vj innerhalb der Bauteilschicht Li bestimmt werden, der die Defektstelle Dj umfasst. Für diesen Vorwärmbereich Vj kann im Reparaturvorbereitungssystem 25 außerdem mindestens ein neuer Vorwärmpfad 47 für die mindestens eine Energiequelle 11 innerhalb einer Kontur 48 des Vorwärmbereichs Vj generiert werden. Der mindestens eine Vorwärmpfad 47 kann im Wesentlichen wie der Reparaturpfad 34 generiert werden. Das Vorwärmen wird weiter unten mit Bezug auf 4 genauer beschrieben.
  • In einem nächsten Schritt 36 wird dann der bzw. jeder neu generierte Reparaturpfad 34 und gegebenenfalls der bzw. jeder neu generierte Vorwärmpfad 47 für eine Defektstelle Dj an das Steuerungssystem 15 übertragen. Wenn ein Vorwärmen vorgesehen ist, steuert das Steuerungssystem 15 die mindestens eine Energiequelle 11 dann an, um in einem folgenden Schritt 37 entlang des mindestens einen Vorwärmpfads 47 Energie in den Vorwärmbereich Vj einzubringen, um diesen auf einen Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und einer Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials vorzuwärmen. Zeitgleich oder versetzt steuert das Steuerungssystem 15 die mindestens eine Energiequelle 11 an, so dass im Schritt 37 gemäß dem bzw. jedem neuen Reparaturpfad 34 Energie in den Reparaturbereich Rj eingebracht wird. Das damit bewirkte Umschmelzen des Reparaturbereichs Rj wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Reparatur bezeichnet.
  • Die Reparatur der Defektstelle bzw. des Reparaturbereichs in der aktuellen Bauteilschicht Li erfolgt während oder unmittelbar nach deren Fertigstellung, vor allem aber vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht Li+1 . Dies geht auch aus dem weiteren Verfahrensablauf gemäß 2 hervor.
  • Gemäß einem weiteren Schritt 38 ist vorgesehen, dass das Prozessüberwachungssystem 22 auch die (erneute) Konsolidierung des Reparaturbereichs Rj überwacht. Die dabei erfassten Daten werden in einem folgenden Schritt 39 an das Reparaturvorbereitungssystem 25 übertragen, in dem in einem nächsten Schritt 40 die Defektstelle Dj überprüft wird. Wird die folgende Abfrage 41, ob die Defektstelle Dj behoben wurde, bejaht, wird ein Zähler 42 der Defektstellen Dj erhöht. Ergibt eine weitere Abfrage 43, dass keine weiteren Defektstellen Dj mehr in der Bauteilschicht Li vorhanden sind, erfolgt als nächster Schritt 44 eine Überführung zur nächsten Bauteilschicht Li +1 und das Verfahren wird mit der Abfrage 30 fortgesetzt.
  • Für den Fall, dass die Defektstelle Dj nicht behoben wurde, wird zunächst der Zähler 32 für die Anzahl der Reparaturen erhöht. Ergibt eine folgende Abfrage 45, dass eine maximale Anzahl der Reparaturen bereits erreicht ist, wird das Verfahren mit der Erhöhung des Zählers 42 für die Defektstellen Dj fortgesetzt. Andernfalls wird das Verfahren mit Schritt 33 fortgesetzt, wodurch erneut mindestens ein neuer Reparaturpfad 34 für den Reparaturbereich Rj generiert wird. Die maximale Anzahl der Reparaturen kann vorgegeben sein oder in geeigneter Weise ausgewählt werden. Dabei können unter anderem Fertigungsbedingungen wie beispielsweise eine Gesamtgröße des Bauteils oder der Bauteilschicht und/oder eine Anzahl und/oder Leistung der Energiequelle(n) berücksichtigt werden. Die erneute Reparatur und die damit verbundenen Berechnungsschritte und Abfragen können in alternativen Ausführungsformen des Verfahrens auch weggelassen werden.
  • Ergibt die Abfrage 43, dass noch nicht alle Defektstellen Dj repariert wurden, wird das Verfahren mit Schritt 33 fortgesetzt. Demnach wird mindestens ein neuer Reparaturpfad 34 für die Defektstelle Dj mit j = j+1 generiert und nachfolgend eine Reparatur der weiteren Defektstelle Dj gemäß dem vorliegenden Verfahren durchgeführt. Auf diese Weise wird jede Defektstelle Dj einer Bauteilschicht Li einer Reparatur unterzogen.
  • In 3 ist ein erstes Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle Dj in einer Bauteilschicht Li (1) mit dem im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Verfahren dargestellt. In Abbildung a) wird die in der Bauteilschicht Li identifizierte Defektstelle Dj gezeigt. Diese weist üblicherweise eine unregelmäßige Kontur auf.
  • Abbildung b) von 3 zeigt den Reparaturbereich Rj , der die Defektstelle Dj vollständig umfasst. Der Reparaturbereich Rj wird bevorzugt lokal um die Defektstelle Dj ausgelegt und seine Fläche ist vorzugsweise kleiner als die Fläche, die durch eine geschlossene Kontur 46 (1) der Bauteilschicht Li , die die Defektstelle Dj umfasst, begrenzt wird. Das heißt, die Kontur 35 des Reparaturbereichs Rj verläuft innerhalb der geschlossenen Kontur 46 der Bauteilschicht Li . In alternativen Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Reparaturbereich Rj mit der geschlossenen Kontur 46 der Bauteilschicht Li , in der sich die Defektstelle Dj befindet, identisch ist. Für den Fall, dass eine Bauteilschicht L, aus mehreren geschlossenen Konturen besteht, kann alternativ vorgesehen sein, dass der Reparaturbereich Rj aus allen geschlossenen Konturen der Bauteilschicht Li besteht.
  • Für den Reparaturbereich Rj wurden die in ) von 3 gezeigten, mehreren neuen Reparaturpfade 34 generiert, entlang denen nun mittels der Energiequelle 11 Energie, beispielsweise in Form von Laser- oder Elektronenstrahlung, in den Reparaturbereich Rj eingebracht wird. Das Bauteilmaterial wird dadurch in diesem Bereich umgeschmolzen, also aufgeschmolzen und konsolidiert. Die Defektstelle Dj wird auf diese Weise repariert, so dass der Reparaturbereich Rj nach erfolgreicher Reparatur keine Defektstelle Dj mehr aufweisen, vgl. ) von 3.
  • Die für den Reparaturbereich Rj generierten neuen Reparaturpfade 34 können bevorzugt ein anderes Muster aufweisen, als die Pfade, die in der anfänglichen Pfadplanung Bauteilschicht Li für den Reparaturbereich Rj oder die Defektstelle Dj vorgesehen waren, vgl. auch 1. Eine Abweichung des Musters kann sich beispielsweise in Abweichungen einer Richtung, Länge und/oder eines Verlaufs der Reparaturpfade zeigen oder in einer Reihenfolge der Abarbeitung einzelner Reparaturpfade.
  • In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ auch ein oder mehrere Parameter der Energiequellen, wie z.B. eine Leistung und/oder eine Vorschubgeschwindigkeit, bei der Energieeinbringung gemäß des bzw. der neuen Reparaturpfades von entsprechenden Parametern gemäß der anfänglichen Pfadplanung im Reparaturbereich Rj oder an der Defektstelle Dj abweichen.
  • In einigen bevorzugten Ausführungsformen werden sowohl für die Erstellung der Bauteilschicht als auch für deren Reparatur bzw. die Reparatur der Defektstellen dieselbe(n) Energiequelle(n) eingesetzt. Es können im Zusammenhang mit der Reparatur von Defektstellen Dj optional aber auch ein oder mehrere zusätzliche Energiequellen zum Einsatz kommen, die wahlweise für die Reparatur oder die Fertigstellung der Bauteilschicht Li angesteuert werden. Im zuletzt genannten Fall können reparaturbedingte zeitliche Verzögerungen bei der Fertigung des Bauteils besonders gering gehalten werden.
  • In 4 ist ein zweites Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle Dj in einer Bauteilschicht Li mit dem Verfahren gemäß 2 dargestellt. In Abbildung a) wird die in der Bauteilschicht Li identifizierte Defektstelle Dj gezeigt. Diese weist üblicherweise eine unregelmäßige Kontur auf. Von dem Reparaturvorbereitungssystem 25 wurden ein Vorwärmbereich Vj und ein Reparaturbereich Rj bestimmt, die die Defektstelle Dj umfassen. Der Reparaturbereich Rj kann wie mit Bezug auf 3 beschrieben ausgelegt werden. Der Vorwärmbereich Vj umfasst auch den Reparaturbereich Rj . In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Reparaturbereich Rj kleiner als der Vorwärmbereich Vj . In alternativen, hier nicht gezeigten Ausführungsvarianten kann die Fläche des Vorwärmbereichs Vj auf der Bauteilschicht Li auch mit der Fläche des Reparaturbereichs Rj identisch sein.
  • Entlang der für den Vorwärmbereich Vj generierten neuen Vorwärmpfade 47 wird gemäß Abbildung b) und ) von 4 mittels der Energiequelle 11 Energie, beispielsweise in Form von Laser- oder Elektronenstrahlung, in den Vorwärmbereich Vj eingebracht. Das Bauteilmaterial wird dadurch in diesem Bereich auf eine Temperatur gebracht, die zwischen Raumtemperatur und einer Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials liegt. Zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs Vj kann eine Konturbelichtung verwendet werden, wie in Abbildung b) gezeigt. Dabei wird die Energie aus der Energiequelle 11 entlang von Konturen, die parallel zu der Kontur 48 des Vorwärmbereichs Vj und der Kontur 35 des Reparaturbereichs Rj , sowie entlang dieser Konturen 35, 48 selbst eingebracht.
  • Alternativ kann zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs eine bidirektionale Belichtung innerhalb der Kontur 48 des Vorwärmbereichs Vj verwendet werden, wie in ) von 4 gezeigt.
  • Wenn eine gewünschte Temperatur oder ein gewünschter Temperaturbereich des Vorwärmbereichs Vj erreicht ist, erfolgt die Umschmelzung des Reparaturbereichs Rj . Dazu wird entlang der neuen Reparaturpfade 34 Energie aus der Energiequelle 11 in den Reparaturbereich Rj eingebracht, wie auch schon mit Bezug auf 3, ) beschrieben, vgl. ).
  • In den Abbildungen b), c) und d) von 4 ist die Defektstelle Dj nicht eingezeichnet, damit die Vorwärmpfade 47 und Reparaturpfade 34 besser erkennbar sind.
  • Nachdem die Defektstelle Dj durch das Umschmelzen gemäß ) beseitigt wurde, kann optional ein Nachwärmen des Vorwärmbereichs Vj erfolgen. Dies ist in den Abbildungen e) und f) von 4 dargestellt. Dazu wird der Vorwärmbereich Vj , alternativ auch nur der Reparaturbereich Rj , nach dem Umschmelzen des Reparaturbereichs Rj für eine vorgegebene Zeitspanne im Temperaturbereich zwischen der Raumtemperatur und der Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials gehalten. Hierzu wird in den Vorwärmbereich Vj , oder alternativ auch nur in den Reparaturbereich Ri, eine sogenannte Nachwärmeenergie mittels der Energiequelle 11 eingebracht. Die Energie kann dabei wie beim Vorwärmen mittels Konturbelichtung (Abbildung e) oder bidirektionaler Belichtung (Abbildung f) eingebracht werden. Hierfür können die zuvor bestimmten Vorwärmpfade 47 verwendet werden.
  • 5 zeigt ein drittes Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle Dj in einer Bauteilschicht Li mit dem Verfahren gemäß 2. Zunächst wird wie gemäß 4, Abbildungen a) bis c), ein Vorwärmbereich Vj und Reparaturbereich Rj bestimmt und der Vorwärmbereich Vj mit mindestens einer Energiequelle 11 vorgewärmt. Im in 5 gezeigten Beispiel erfolgt das Vorwärmen mittels einer Konturbelichtung. Nachdem der Vorwärmbereich Vj und der Reparaturbereich Rj auf einen gewünschten Temperaturbereich gebracht worden sind, kommt gemäß ) von 5 mindestens eine weitere Energiequelle 11 zum Einsatz, um den Reparaturbereich Rj umzuschmelzen, in dem sich die in Abbildung b) und c) nicht dargestellte Defektstelle Dj befindet. Währenddessen hält die andere oder halten die anderen Energiequellen 11 den Vorwärmbereich Vj auf dem gewünschten Temperaturbereich, beispielsweise wie hier gezeigt durch eine bidirektionale Belichtung.
  • Danach folgt das optionale Nachwärmen des Vorwärmbereichs Vj , vgl. ) von 5, das bereits mit Bezug auf Abbildung e) von 4 beschrieben wurde. Statt der in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten Konturbelichtung kann das Nachwärmen auch durch bidirektionale Belichtung erfolgen, wie in 4, Abbildung f).
  • In Abbildung e) von 5 wird beispielhaft eine Energie 49 der einen Energiequelle, mit der Energie zum Vorwärmen und Nachwärmen in den Vorwärmbereich Vj eingebracht wird, und eine Energie 50 der mindestens einen anderen Energiequelle, mit der Energie in den Reparaturbereich Rj eingebracht wird, im zeitlichen Verlauf dargestellt. Demnach ist die Energie 49 zum Vorwärmen und Nachwärmen geringer als die Energie 50 zum Umschmelzen. Diese geringere Energie 49 wird aber über einen längeren Zeitraum in die Bauteilschicht Li bzw. den Vorwärmbereich Vj eingebracht, als die Energie 50 zum Umschmelzen in den Reparaturbereich Rj wird.
  • Durch den Einsatz von mehreren Energiequellen 11 kann die Temperatur im Vorwärmbereich Vj besser kontrolliert werden, so dass bei der Reparatur ein besseres Endergebnis erzielt werden kann.
  • 6 zeigt ein erstes Beispiel für eine Reparatur von mehreren Defektstellen Dj , in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß 1. Im gezeigten Beispiel befinden sich fünf Defektstellen Dj mit j = 1, ..., 5 in einem relativ geringen Abstand zueinander bzw. zu jeweils mindestens einer benachbarten Defektstelle Dj auf der Bauteilschicht Li (1). Unterschreitet der Abstand wie im vorliegenden Fall einen vorgegebenen Abstand, kann es vorteilhaft sein, einen Reparaturbereich Rj zu bestimmen, der alle Defektstellen Dj mit j = 1, ..., 5 umfasst. Anschließend wird der Reparaturbereich zur Reparatur der Defektstellen Dj durch Einbringung von Energie in den Reparaturbereich gemäß der vorliegenden Erfindung umgeschmolzen. Die Anzahl der Defektstellen Dj , für die ein solcher, übergreifender Reparaturbereich Rj bestimmt werden kann, kann vorgegeben oder begrenzt sein.
  • In 7 ist ein zweites Beispiel für eine Reparatur von mehreren Defektstellen Dj in einer Bauteilschicht Li mit dem Verfahren gemäß 2 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel erweitert den in 6 gezeigten Reparaturbereich Rj , der mehrere Defektstellen Dj aufweist, um einen optionalen Vorwärmbereich Vj . Der Vorwärmbereich Vj umfasst den Reparaturbereich Rj und kann wie mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben mit Energie zum Vorwärmen und optional auch zum Nachwärmen beaufschlagt werden. Die Belichtung zum Vorwärmen und optional Nachwärmen kann wie hier gezeigt bidirektional sein. In hier nicht gezeigten Ausführungsvarianten kann alternativ auch eine Konturbelichtung eingesetzt werden. Bevorzugt kommen wie hier gezeigt mehrere Energiequellen 11 zum Vorwärmen und Umschmelzen, sowie optional auch zum Nachwärmen zum Einsatz. Alternativ kann auch nur eine Energiequelle 11 eingesetzt werden, die dann sowohl Energie zum Vorwärmen in den Vorwärmbereich Vj , als auch (eine höhere) Energie zum Umschmelzen in den Reparaturbereich Rj einbringt. Optional können der Vorwärmbereich Vj oder der Reparaturbereich Rj auch mit einer einzelnen Energiequelle 11 nachgewärmt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Bauteil
    11
    Energiequelle
    12
    Verfahren
    13
    anfängliche Pfadplanung
    14
    Schritt
    15
    Steuerungssystem
    16
    Bestrahlungsvektor
    17
    Bereich
    18
    Bereich
    19
    Bereich
    20
    Pfadplanung
    21
    Schritt
    22
    Prozessüberwachungssystem
    23
    Schritt
    24
    Schritt
    25
    Reparaturvorbereitungssystem
    26
    Schritt
    27
    Abfrage
    28
    Schritt
    29
    Zähler
    30
    Abfrage
    31
    Schritt
    32
    Zähler
    33
    Schritt
    34
    neuer Reparaturpfad
    35
    Kontur
    36
    Schritt
    37
    Schritt
    38
    Schritt
    39
    Schritt
    40
    Schritt
    41
    Abfrage
    42
    Zähler
    43
    Abfrage
    44
    Schritt
    45
    Abfrage
    46
    Kontur
    47
    Vorwärmpfad
    48
    Kontur
    49
    Energie
    50
    Energie
    Dj
    Defektstelle
    Li
    Bauteilschicht
    Li+1
    Bauteilschicht
    Rj
    Reparaturbereich
    Vj
    Vorwärmbereich

Claims (15)

  1. Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils (10) aus mehreren Bauteilschichten (Li) durch mehrfaches inkrementelles Hinzufügen von pulver- oder drahtförmigem Bauteilausgangsmaterial und formgebendes Konsolidieren des Bauteilausgangsmaterials durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels mindestens einer Energiequelle (11), wobei - die Einbringung der Energie gemäß einer, vor dem Beginn der Fertigstellung einer Bauteilschicht (Li) definierten anfänglichen Pfadplanung (13) der oder jeder Energiequelle (11) für diese Bauteilschicht (Li) erfolgt und - das Erstellen der Bauteilschicht (Li) in einem Prozessüberwachungssystem (22) überwacht wird und - die Bauteilschicht (Li) mindestens zum Teil konsolidiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass - mit Nutzung von Daten aus dem Prozessüberwachungssystem (22) über den konsolidierten Teil der Bauteilschicht (Li), eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle (Dj) in der Bauteilschicht (Li) bestimmt wird und - ein Reparaturbereich (Rj) innerhalb der Bauteilschicht (Li), der die Defektstelle (Dj) umfasst, bestimmt wird und - mindestens ein neuer Reparaturpfad (34) der Energiequelle (11), der in der anfänglichen Pfadplanung (13) für die Bauteilschicht (Li) nicht enthalten ist, innerhalb einer Kontur (35) des Reparaturbereichs (Rj) zwecks Reparatur der Defektstelle (Dj) durch Umschmelzen des Reparaturbereichs (Rj) generiert wird und - die Reparatur durch Energieeinbringung gemäß dem neuen Reparaturpfad (34) zum Umschmelzen des Reparaturbereichs (Rj) während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (Li) und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht (Li+1) an der Bauteilschicht (Li) durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturbereich (Rj) lokal um die Defektstelle (Dj) ausgelegt wird und seine Fläche kleiner ist als die Fläche, die durch eine geschlossene Kontur (46) der Bauteilschicht (Li) begrenzt wird, in welcher sich die Defektstelle (Dj) befindet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturbereich (Rj) mit einer geschlossenen Kontur (46) der Bauteilschicht (Li), in der sich die Defektstelle (Dj) befindet, identisch ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der anderen vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturbereich (Rj) aus allen geschlossenen Konturen der Bauteilschicht (Li) besteht.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der anderen vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Muster der neuen Reparaturpfade (34) von einem Muster der anfänglichen Pfadplanung (13) für die Bauteilschicht (Li) an der Defektstelle (Dj) unterscheidet.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der anderen vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Parameter der Energiequelle (11) bei der Energieeinbringung gemäß des neuen Reparaturpfades (34) von den entsprechenden Parametern der Energiequelle (11) bei der Energieeinbringung gemäß der anfänglichen Pfadplanung (13) für die Bauteilschicht (Li) an der Defektstelle (Dj) unterscheiden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der anderen vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch Anwenden des oder jedes neuen Reparaturpfades (34) der Energiequelle (11) reparierte Bauteilschicht (Li) von dem Prozessüberwachungssystem (22) überprüft wird, und dass beim Identifizieren mindestens einer neuen Defektstelle (Dj) in der bereits reparierten Bauteilschicht (Li) mindestens ein weiterer neuer Reparaturpfad der Energiequelle (11) zur Reparatur der neuen Defektstelle (Dj) generiert wird und die Reparatur der neuen Defektstelle (Dj) vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht (Li+1) an der Bauteilschicht (Li) durchgeführt wird.
  8. System zur Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht (Li)eines dreidimensionalen Bauteils (10) aus mehreren Bauteilschichten (Li), das durch mehrfaches inkrementelles Hinzufügen von pulver- oder drahtförmigem Bauteilausgangsmaterial und formgebendes Konsolidieren des Bauteilausgangsmaterials durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels mindestens einer Energiequelle (11) erstellt wird, wobei die oder jede Energiequelle (11) durch ein Steuerungssystem (15) gemäß einer, vor dem Beginn der Fertigstellung einer Bauteilschicht (Li) definierten anfänglichen Pfadplanung (13) der oder jeder Energiequelle (11) für diese Bauteilschicht (Li) angesteuert wird, und wobei die Konsolidierung der Bauteilschicht (Li) in einem Prozessüberwachungssystem (22) überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Reparaturvorbereitungssystem (25) enthält, welches - der Bauteilschicht (Li) zugeordneten Daten aus dem Prozessüberwachungssystem (22) während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (Li) empfängt, - mit Nutzung der Daten aus dem Prozessüberwachungssystem (22) eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle (Dj) in der Bauteilschicht (Li) bestimmt und - einen Reparaturbereich (Rj) innerhalb der Bauteilschicht (Li), der die Defektstelle (Dj) umfasst, auslegt und - mindestens einen neuen Reparaturpfad (34) der Energiequelle (11), der in der anfänglichen Pfadplanung (13) für die Bauteilschicht (Li) nicht enthalten ist, zwecks Reparatur der Defektstelle (Dj) in der Bauteilschicht (Li) generiert und - die Daten des mindestens einen neuen Reparaturpfades (34), welche mindestens die Trajektorie der Energiequelle (11) in der Bauteilschicht (Li) beinhalten, an das Steuerungssystem (15) der mindestens einen Energiequelle (11) zur Reparatur der Defektstelle (Dj) übermittelt.
  9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem (15) die Daten des mindestens eines neuen Reparaturpfades (34) während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (Li) aus dem Reparaturvorbereitungssystem (25) empfängt und dass das Steuerungssystem (15) derart ausgelegt ist, dass die Reparatur der Defektstelle (Dj) während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (Li) und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht (Li+1) an der Bauteilschicht (Li) durchgeführt wird.
  10. System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturbereich (Rj) von dem Reparaturvorbereitungssystem (25) lokal um die Defektstelle (Dj) ausgelegt wird und eine Fläche des Reparaturbereichs (Rj) kleiner ist als eine Fläche, die durch eine geschlossene Kontur der Bauteilschicht (Li) begrenzt wird, in welcher sich die Defektstelle (Dj) befindet.
  11. System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Reparaturvorbereitungssystem (25) ausgelegte Reparaturbereich (Rj) mit einer geschlossenen Kontur (46) der Bauteilschicht (Li), in der sich die Defektstelle (Dj) befindet, identisch ist.
  12. System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Reparaturvorbereitungssystem (25) ausgelegte Reparaturbereich (Rj) aus allen geschlossenen Konturen der Bauteilschicht (Li) besteht.
  13. System nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturvorbereitungssystem (25) die neuen Reparaturpfade (34) an der Defektstelle (Dj) nach einem Muster generiert, welches sich von einem Muster der anfänglichen Pfadplanung (13) für die Bauteilschicht (Li) an der Defektstelle (Dj) unterscheidet.
  14. System nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturvorbereitungssystem (25) die Parameter der Energiequelle (11) bei der Energieeinbringung gemäß des neuen Reparaturpfades (34) so generiert, dass sie sich von den entsprechenden Parametern der Energiequelle (11) bei der Energieeinbringung gemäß der anfänglichen Pfadplanung (13) für die Bauteilschicht (Li) an der Defektstelle (Dj) unterscheiden.
  15. System nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine reparierte Bauteilschicht (Li) von dem Prozessüberwachungssystem (22) überprüfbar ist, und dass bei Auftreten mindestens einer neuen Defektstelle (Dj) in der reparierten Bauteilschicht (Li) mindestens ein weiterer neuer Reparaturpfad zur Reparatur der mindestens einen neuen Defektstelle (Dj) von dem Reparaturvorbereitungssystem (25) generierbar ist, und dass die Reparatur vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht (Li+1) an der Bauteilschicht (Li) vom Steuerungssystem (15) durchführbar ist.
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