DE102020001399A1

DE102020001399A1 - Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils und System zur Reparatur

Info

Publication number: DE102020001399A1
Application number: DE102020001399.6A
Authority: DE
Inventors: Dmitry Ploshikhin
Original assignee: AMSIS GMBH
Current assignee: AMSIS GMBH
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2021-09-09
Also published as: WO2021175791A1; EP4114597A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (12) zur additiven Fertigung 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), 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 (Li) bestimmt wird und ein Vorwärmbereich (Vj) innerhalb der Bauteilschicht (Li), der die Defektstelle (Dj) umfasst, bestimmt wird und ein Reparaturbereich (Rj) innerhalb der Bauteilschicht (Li), der die Defektstelle (Dj) umfasst, bestimmt wird, und dass der Vorwärmbereich (Vj) mittels einer Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (Vj) auf eine Vorwärmtemperatur, die im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und einer Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials liegt, vorgewärmt wird und der Reparaturbereich (Rj) während oder nach der Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (Vj) zwecks Reparatur der Defektstelle (Dj) mittels einer Energieeinbringung in den Reparaturbereich (Rj) umgeschmolzen wird, und dass die Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (Vj) und den Reparaturbereich (Rj) während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (Li) und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht (Li+1) erfolgt.

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 10.
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) oder 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 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 ist vorgesehen, 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 ist außerdem vorgesehen, 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.
Mit dem vorliegenden Verfahren können die Daten des Prozessüberwachungssystems genutzt werden, um Defektstellen in einer Bauteilschicht zu reparieren. Die Reparatur erfolgt, indem das bereits konsolidierte, die mindestens eine Defektstelle aufweisende Material der Bauteilschicht im Reparaturbereich wieder aufgeschmolzen und konsolidiert wird. Dies wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als „Umschmelzen“ bezeichnet. Die Defektstellen werden dadurch sozusagen wieder aufgelöst und das Material im Reparaturbereich kann sich ohne Defektstellen verfestigen. Durch das Vorwärmen des Vorwärmbereichs, der vorteilhafterweise den Reparaturbereich umfasst, können während der Reparatur auftretende Eigenspannungen des Bauteilmaterials, beispielsweise am Rand 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 gering gehalten werden.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung kann dabei sein, dass das Vorwärmen und die anschließende Reparatur während oder direkt nach der Fertigstellung der Bauteilschicht vorgenommen werden können, 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.
Es kann vorgesehen sein, dass der Reparaturbereich lokal um die Defektstelle ausgelegt wird und seine Fläche kleiner ist 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 Energieeinbringung und Prozesszeit für die Reparatur so gering wie möglich gehalten.
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.
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.
Dafür ist bei dem System gemäß Anspruch 10 ein Reparaturvorbereitungssystem vorgesehen, welches der Bauteilschicht zugeordnete 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 welches einen Vorwärmbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, und einen Reparaturbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, auslegt. Außerdem werden durch das Reparaturvorbereitungssystem mindestens ein neuer Vorwärmpfad für mindestens eine Energiequelle innerhalb einer Kontur des Vorwärmbereichs zwecks Vorwärmens des Vorwärmbereichs und mindestens ein neuer 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 werden an das Steuerungssystem übermittelt.
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 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.
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.
Vorteilhafterweise legt das Reparaturvorbereitungssystem den Reparaturbereich lokal um die Defektstelle aus und ist die Fläche des Reparaturbereichs kleiner ist als die 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.
Es kann vorgesehen sein, dass das Reparaturvorbereitungssystem den Vorwärmbereich so auslegt, dass der Vorwärmbereich den Reparaturbereich umfasst oder mit dem Reparaturbereich identisch ist. So wird sichergestellt, dass der gesamte zum Umschmelzen zwecks Reparatur vorgesehene Bereich auf der Bauteilschicht vollständig vorgewärmt wird.
In vorteilhaften Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Energiequelle so ansteuerbar ist, dass die Energie dieser Energiequelle wechselnd in den Vorwärmbereich und in den Reparaturbereich eingebracht wird, um dadurch das Vorwärmen des Vorwärmbereichs und das Umschmelzen des Reparaturbereichs in einem gleichen Zeitintervall zu gestalten. Eine zeitliche Verzögerung der Fertigung aufgrund des Vorwärmens und Umschmelzen kann dadurch minimiert werden.
In alternativen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei Energiequellen so ansteuerbar sind, dass die Energie einer Energiequelle ausschließlich in die Vorwärmbereiche und die Energie der mindestens einen anderen Energiequelle ausschließlich in die Reparaturbereiche eingebracht wird. So 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.
Wenn mindestens zwei Defektstellen in einem vorgegebenen Abstand voneinander in der Bauteilschicht bestimmt werden, kann vorgesehen sein, dass das Reparaturvorbereitungssystem den Vorwärmbereich und den Reparaturbereich derart auslegt, dass der Vorwärmbereich und der Reparaturbereich (R_j ) die mindestens zwei Defekte umfassen. Die Reparatur von den mindestens zwei Defektstellen in der Bauteilschicht kann dadurch besonders effektiv und effizient durchgeführt werden.
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.
Zum Vorwärmen und Reparieren werden gemäß der vorliegenden Erfindung neue Pfade generiert, nämlich mindestens ein neuer Vorwärmpfad und mindestens ein neuer Reparaturpfad. Entlang dieser Pfade bringt die mindestens eine Energiequelle Energie in den Vorwärmbereich bzw. den Reparaturbereich.
Im Folgenden werden mögliche Ausführungsformen der Erfindung angegeben, wie ein neuer Reparaturpfad generiert wird, wie der Reparaturbereich ausgelegt sein kann und wie die mindestens eine Defektstelle mit dem neu generierten Reparaturpfade repariert werden kann. Die Generierung und Anwendung des Reparaturpfads sowie die Auslegung des Reparaturbereichs kann auf die Generierung und Anwendung eines Vorwärmpfads sowie die Auslegung des Vorwärmbereichs im Wesentlichen übertragen werden. Unterschiedlich ist nur die jeweilige Energie(menge), die entlang des oder der Reparaturpfade bzw. Vorwärmpfade in die entsprechenden Bereiche eingebracht wird.
Es kann vorgesehen sein, 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.
Der Reparaturbereich kann durch eine Kontur begrenzt sein. 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.
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 Klassifikation und/oder Entscheidung kann sowohl automatisch als auch manuell vorgenommen werden. Generell ist eine Klassifikation von Defektstellen nicht auf neue Defektstellen in einer reparierten Bauteilschicht beschränkt, sondern kann auch bei der Überprüfung der jeweiligen initialen Bauteilschicht(en) zum Einsatz kommen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Reparaturvorbereitungssystem mindestens einen neuen Reparaturpfad der Energiequelle generiert, der in der anfänglichen Pfadplanung für die Bauteilschicht nicht enthalten ist, zwecks Reparatur der Defektstelle in der Bauteilschicht, und 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 übermittelt.
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 L_i , 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 L_i 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 L_i 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 L_i gleichzeitig bestrahlt und somit konsolidiert werden.
Eine anfängliche Pfadplanung 20 für die aktuell zu erstellende Bauteilschicht L_i ist von dem Steuerungssystem 15 abrufbar, so dass in einem nächsten Schritt 21 des Verfahrens das Bauteilausgangsmaterial zur Erstellung dieser Bauteilschicht L_i 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 L_i 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 L_i oder einem Bereich auf der Bauteilschicht L_i macht. Der Bereich, der von dem Prozessüberwachungssystem 22 überwacht wird, kann sich z.B. auf den bereits konsolidierten Teil der Bauteilschicht L_i beschränken.
Bis zu diesem Schritt entspricht das Fertigungsverfahren den im Stand der Technik bekannten Verfahren. Daten, die bei der Prozessüberwachung gesammelt werden, werden 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 L_i vorliegen, also wenn diese mindestens zum Teil konsolidiert wurde. Das Reparaturvorbereitungssystem 25 ist Teil des erfindungsgemäßen Systems zur Reparatur einer Defektstelle D_j in einer Bauteilschicht L_i .
Die Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle D_j wird in einem nächsten Schritt 26 bestimmt. Dieser Schritt 26 kann beinhalten, dass eine Defektstelle D_j zunächst identifiziert wird. Typische Defektstellen D_j 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 D_j (mit j ≠ 1) sowie eine Gesamtzahl der Defektstellen D_j (mit j = j_max) in dem konsolidierten Teil der Bauteilschicht L_i identifiziert und lokalisiert werden.
In einer Abfrage 27 kann durch das Reparaturvorbereitungssystem 25 die Gesamtzahl der Defektstellen abgefragt werden. Wenn in der gesamten Bauteilschicht L_i keine Defektstellen D_j identifiziert werden konnten, erfolgt in einem nächsten möglichen Schritt 28 eine Überführung zur nächsten Bauteilschicht L_i+1 . Ein Zähler 29 der Bauteilschichten L_i wird erhöht und es folgt eine Abfrage 30, beispielsweise durch das Steuerungssystem 15, ob bereits die letzte Bauteilschicht L_i 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 L_i+1 auf der Bauteilschicht L_i erstellt wird, folgt nach Erhöhung des Zählers 29 die Konsolidierung der neuen Bauteilschicht L_i gemäß Schritt 21 sowie die vorhergehend beschriebenen Schritte 23, 24, 26 bis zu einer Abfrage 27 der Defektstellen für die neue Bauteilschicht L_i .
Ist allerdings mindestens eine Defektstelle D_j in der Bauteilschicht L_i vorhanden, wird zunächst ein Zähler 32 für eine Anzahl der Reparaturen der mindestens einen Defektstelle D_j initiiert, d.h. auf Null gesetzt. In einem nächsten Schritt 33 wird bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens von dem Reparaturvorbereitungssystem ein Reparaturbereich R_j (3) innerhalb der Bauteilschicht L_i bestimmt, der die Defektstelle D_j umfasst.
Außerdem wird mindestens ein neuer Reparaturpfad 34 (3) der Energiequelle 11 innerhalb einer Kontur 35 (3) des Reparaturbereichs D_j generiert. Da in der anfänglichen Pfadplanung 13 eine Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht L, 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 R_j ausgerichtet ist. Je nach Größe des Reparaturbereichs R_j können auch mehrere neue Reparaturpfade 34 generiert werden, so dass der Reparaturbereich R_j möglichst komplett mit neuen Reparaturpfaden 34 ausgelegt ist, um eine effektive Reparatur durch Umschmelzen des gesamten Reparaturbereichs R_j zu erzielen.
In Schritt 33 wird von dem Reparaturvorbereitungssystem 25 ein Vorwärmbereich V_j innerhalb der Bauteilschicht L_i bestimmt, der die Defektstelle D_j umfasst. Für diesen Vorwärmbereich V_j wird z.B. im Reparaturvorbereitungssystem 25 mindestens ein neuer Vorwärmpfad 47 für die mindestens eine Energiequelle 11 innerhalb einer Kontur 48 des Vorwärmbereichs V_j generiert. 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 werden dann der bzw. jeder neu generierte Reparaturpfad 34 und der bzw. jeder neu generierte Vorwärmpfad 47 für eine Defektstelle D_j an das Steuerungssystem 15 übertragen. Das Steuerungssystem 15 steuert dann die mindestens eine Energiequelle 11 an, um in einem folgenden Schritt 37 entlang des mindestens einen Vorwärmpfads 47 Energie in den Vorwärmbereich V_j 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 R_j eingebracht wird. Das damit bewirkte Umschmelzen des Reparaturbereichs R_j 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 L_i+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 R_j 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 D_j überprüft wird. Wird die folgende Abfrage 41, ob die Defektstelle D_j behoben wurde, bejaht, wird ein Zähler 42 der Defektstellen D_j erhöht. Ergibt eine weitere Abfrage 43, dass keine weiteren Defektstellen D_j mehr in der Bauteilschicht L_i vorhanden sind, erfolgt als nächster Schritt 44 eine Überführung zur nächsten Bauteilschicht L_i+1 und das Verfahren wird mit der Abfrage 30 fortgesetzt.
Für den Fall, dass die Defektstelle D_j 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 D_j fortgesetzt. Andernfalls wird das Verfahren mit Schritt 33 fortgesetzt, wodurch erneut mindestens ein neuer Reparaturpfad 34 für den Reparaturbereich R_j 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 D_j repariert wurden, wird das Verfahren mit Schritt 33 fortgesetzt. Demnach wird mindestens ein neuer Reparaturpfad 34 für die Defektstelle D_j mit j = j+1 generiert und nachfolgend eine Reparatur der weiteren Defektstelle D_j gemäß dem vorliegenden Verfahren durchgeführt. Auf diese Weise wird jede Defektstelle D_j einer Bauteilschicht L_i einer Reparatur unterzogen.
In 3 ist ein erstes Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle D_j in einer Bauteilschicht L_i (1) mit dem im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Verfahren dargestellt. Das in 3 gezeigte Beispiel bezieht sich nur auf das Umschmelzen im Reparaturbereich R_j . Erfindungsgemäß wird der Reparaturbereich R_j vor dem Umschmelzen vorgewärmt, wie es beispielsweise mit Bezug auf die 4, 5 und 7 ausführlich beschrieben wird. In Abbildung a) wird die in der Bauteilschicht L_i identifizierte Defektstelle D_j gezeigt. Diese weist üblicherweise eine unregelmäßige Kontur auf.
Abbildung b) von 3 zeigt den Reparaturbereich R_j , der die Defektstelle D_j vollständig umfasst. Der Reparaturbereich R_j wird bevorzugt lokal um die Defektstelle D_j ausgelegt und seine Fläche ist vorzugsweise kleiner als die Fläche, die durch eine geschlossene Kontur 46 (1) der Bauteilschicht L_i , die die Defektstelle D_j umfasst, begrenzt wird. Das heißt, die Kontur 35 des Reparaturbereichs R_j verläuft innerhalb der geschlossenen Kontur 46 der Bauteilschicht L_i . In alternativen Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Reparaturbereich R_j mit der geschlossenen Kontur 46 der Bauteilschicht L_i , in der sich die Defektstelle D_j befindet, identisch ist. Für den Fall, dass eine Bauteilschicht L_i aus mehreren geschlossenen Konturen besteht, kann alternativ vorgesehen sein, dass der Reparaturbereich R_j aus allen geschlossenen Konturen der Bauteilschicht L_i besteht.
Für den Reparaturbereich R_j 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 R_j eingebracht wird. Das Bauteilmaterial wird dadurch in diesem Bereich umgeschmolzen, also aufgeschmolzen und konsolidiert. Die Defektstelle D_j wird auf diese Weise repariert, so dass der Reparaturbereich R_j nach erfolgreicher Reparatur keine Defektstelle D_j mehr aufweisen, vgl. ) von 3.
Die für den Reparaturbereich R_j generierten neuen Reparaturpfade 34 können bevorzugt ein anderes Muster aufweisen, als die Pfade, die in der anfänglichen Pfadplanung Bauteilschicht L_i für den Reparaturbereich R_j oder die Defektstelle D_j 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 R_j oder an der Defektstelle D_j 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 D_j optional aber auch ein oder mehrere zusätzliche Energiequellen zum Einsatz kommen, die wahlweise für die Reparatur oder die Fertigstellung der Bauteilschicht L_i 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 D_j in einer Bauteilschicht L_i mit dem Verfahren gemäß 2 dargestellt. In Abbildung a) wird die in der Bauteilschicht L_i identifizierte Defektstelle D_j gezeigt. Diese weist üblicherweise eine unregelmäßige Kontur auf. Von dem Reparaturvorbereitungssystem 25 wurden ein Vorwärmbereich V_j und ein Reparaturbereich R_j bestimmt, die die Defektstelle D_j umfassen. Der Reparaturbereich R_j kann wie mit Bezug auf 3 beschrieben ausgelegt werden. Der Vorwärmbereich V_j umfasst auch den Reparaturbereich R_j . In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Reparaturbereich R_j kleiner als der Vorwärmbereich V_j . In alternativen, hier nicht gezeigten Ausführungsvarianten kann die Fläche des Vorwärmbereichs V_j auf der Bauteilschicht L_i auch mit der Fläche des Reparaturbereichs R_j identisch sein.
Entlang der für den Vorwärmbereich V_j 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 V_j 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 V_j 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 V_j und der Kontur 35 des Reparaturbereichs R_j , sowie entlang dieser Konturen 35, 48 selbst eingebracht.
Alternativ kann zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs eine bidirektionale Belichtung innerhalb der Kontur 48 des Vorwärmbereichs V_j verwendet werden, wie in ) von 4 gezeigt.
Wenn eine gewünschte Temperatur oder ein gewünschter Temperaturbereich des Vorwärmbereichs V_j erreicht ist, erfolgt die Umschmelzung des Reparaturbereichs R_j . Dazu wird entlang der neuen Reparaturpfade 34 Energie aus der Energiequelle 11 in den Reparaturbereich R_j eingebracht, wie auch schon mit Bezug auf 3, ) beschrieben, vgl. ).
In den Abbildungen b), c) und d) von 4 ist die Defektstelle D_j nicht eingezeichnet, damit die Vorwärmpfade 47 und Reparaturpfade 34 besser erkennbar sind.
Nachdem die Defektstelle D_j durch das Umschmelzen gemäß ) beseitigt wurde, kann optional ein Nachwärmen des Vorwärmbereichs V_j erfolgen. Dies ist in den Abbildungen e) und f) von 4 dargestellt. Dazu wird der Vorwärmbereich V_j , alternativ auch nur der Reparaturbereich R_j , nach dem Umschmelzen des Reparaturbereichs R_j für eine vorgegebene Zeitspanne im Temperaturbereich zwischen der Raumtemperatur und der Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials gehalten. Hierzu wird in den Vorwärmbereich V_j , oder alternativ auch nur in den Reparaturbereich R_j , 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 D_j in einer Bauteilschicht L_i mit dem Verfahren gemäß 2. Zunächst wird wie gemäß 4, Abbildungen a) bis c), ein Vorwärmbereich V_j und Reparaturbereich R_j bestimmt und der Vorwärmbereichs V_j mit mindestens einer Energiequelle 11 vorgewärmt. Im in 5 gezeigten Beispiel erfolgt das Vorwärmen mittels einer Konturbelichtung. Nachdem der Vorwärmbereich V_j und der Reparaturbereich R_j auf einen gewünschten Temperaturbereich gebracht worden sind, kommt gemäß ) von 5 mindestens eine weitere Energiequelle 11 zum Einsatz, um den Reparaturbereich R_j umzuschmelzen, in dem sich die in Abbildung b) und c) nicht dargestellte Defektstelle D_j befindet. Währenddessen hält die andere oder halten die anderen Energiequelle(n) 11 den Vorwärmbereich V_j auf dem gewünschten Temperaturbereich, beispielsweise wie hier gezeigt durch eine bidirektionale Belichtung.
Danach folgt das optionale Nachwärmen des Vorwärmbereichs V_j , 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 V_j eingebracht wird, und eine Energie 50 der mindestens einen anderen Energiequelle, mit der Energie in den Reparaturbereich R_j 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 L_i bzw. den Vorwärmbereich V_j eingebracht, als die Energie 50 zum Umschmelzen in den Reparaturbereich R_j wird.
Durch den Einsatz von mehreren Energiequellen 11 kann die Temperatur im Vorwärmbereich V_j 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 D_j , in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß 1. In diesem Beispiel wird nur das Umschmelzen beschrieben. Im gezeigten Beispiel befinden sich fünf Defektstellen D_j mit j = 1, ..., 5 in einem relativ geringen Abstand zueinander bzw. zu jeweils mindestens einer benachbarten Defektstelle D_j auf der Bauteilschicht L_i (1). Unterschreitet der Abstand wie im vorliegenden Fall einen vorgegebenen Abstand, kann es vorteilhaft sein, einen Reparaturbereich R_j zu bestimmen, der alle Defektstellen D_j mit j = 1, ..., 5 umfasst. Anschließend wird der Reparaturbereich zur Reparatur der Defektstellen D_j durch Einbringung von Energie in den Reparaturbereich gemäß der vorliegenden Erfindung umgeschmolzen. Die Anzahl der Defektstellen D_j , für die ein solcher, übergreifender Reparaturbereich R_j bestimmt werden kann, kann vorgegeben oder begrenzt sein.
In 7 ist ein zweites Beispiel für eine Reparatur von mehreren Defektstellen D_j in einer Bauteilschicht L_i mit dem Verfahren gemäß 2 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel erweitert den in 6 gezeigten Reparaturbereich R_j , der mehrere Defektstellen D_j aufweist, um einen Vorwärmbereich V_j . Der Vorwärmbereich V_j umfasst den Reparaturbereich R_j 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 V_j , als auch (eine höhere) Energie zum Umschmelzen in den Reparaturbereich R_j einbringt. Optional können der Vorwärmbereich V_j oder der Reparaturbereich R_j 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

Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils (10) aus mehreren Bauteilschichten (L_i), 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), wobei - die Einbringung der Energie gemäß einer, vor dem Beginn der Fertigstellung einer Bauteilschicht (L_i) definierten anfänglichen Pfadplanung (13) der oder jeder Energiequelle (11) für diese Bauteilschicht (L_i) erfolgt und - das Erstellen der Bauteilschicht (L_i) in einem Prozessüberwachungssystem (22) überwacht wird und - die Bauteilschicht (L_i) mindestens zum Teil konsolidiert wird dadurch gekennzeichnet, dass - mit Nutzung von Daten aus dem Prozessüberwachungssystem (22) über den konsolidierten Teil der Bauteilschicht (L_i), eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle (D_j) in der Bauteilschicht (L_i) bestimmt wird und - ein Vorwärmbereich (V_j) innerhalb der Bauteilschicht (L_i), der die Defektstelle (D_j) umfasst, bestimmt wird und - ein Reparaturbereich (R_j) innerhalb der Bauteilschicht (L_i), der die Defektstelle (D_j) umfasst, bestimmt wird und - der Vorwärmbereich (V_j) mittels einer Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (V_j) auf eine Vorwärmtemperatur, die im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und einer Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials liegt, vorgewärmt wird und - der Reparaturbereich (R_j) während oder nach der Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (V_j) zwecks Reparatur der Defektstelle (D_j) mittels einer Energieeinbringung in den Reparaturbereich (R_j) umgeschmolzen wird, und - die Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (V_j) und den Reparaturbereich (R_j) während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (L_i) und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht (L_i+1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturbereich (R_j) lokal um die Defektstelle (D_j) ausgelegt wird und seine Fläche kleiner ist als die Fläche, die durch eine geschlossene Kontur (46) der Bauteilschicht (L_i) begrenzt wird, in welcher sich die Defektstelle (D_j) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmbereich (V_j) den Reparaturbereich (R_j) umfasst oder mit dem Reparaturbereich (R_j) identisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der anderen vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmbereich (V_j) mit einer Energiequelle (11) vorgewärmt wird und der Reparaturbereich (R_j) mit derselben Energiequelle (11) umgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmbereich (V_j) mit einer Energiequelle (11) vorgewärmt wird und der Reparaturbereich (R_j) mit einer anderen Energiequelle (11) oder mit mehreren anderen Energiequellen (11) umgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der weiteren vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs (V_j) eine Konturbelichtung des Vorwärmbereichs (V_j) oder eine bidirektionale Belichtung innerhalb der Kontur des Vorwärmbereichs (V_j) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der weiteren vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (V_j) vor und während des Umschmelzens des Reparaturbereichs (R_j) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der weiteren vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmbereich (V_j) oder der Reparaturbereich (R_j) nach dem Umschmelzen des Reparaturbereichs (R_j) für eine vorgegebene Zeitspanne im Temperaturbereich zwischen der Raumtemperatur und der Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials gehalten wird, indem in den Vorwärmbereich (V_j) oder den Reparaturbereich (R_j) eine Nachwärmeenergie mittels einer oder mehreren Energiequellen (11) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der weiteren vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn mindestens zwei Defektstellen (D_j) in einem vorgegebenen Abstand voneinander in der Bauteilschicht (L_i) auftreten, der Vorwärmbereich (V_j) und der Reparaturbereich (R_j) derart bestimmt werden, dass sie die mindestens zwei Defektstellen (D_j) umfassen.
System zur Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht eines dreidimensionalen Bauteils aus mehreren Bauteilschichten (L_i), 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 (L_i) definierten anfänglichen Pfadplanung (13) der oder jeder Energiequelle (11) für diese Bauteilschicht (L_i) angesteuert wird, und wobei die Konsolidierung der Bauteilschicht (L_i) in einem Prozessüberwachungssystem (22) überwacht wird, gekennzeichnet durch ein Reparaturvorbereitungssystem (25), welches - der Bauteilschicht (L_i) zugeordnete Daten aus dem Prozessüberwachungssystem (22) während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (L_i) empfängt, - mit Nutzung der Daten aus dem Prozessüberwachungssystem (22) eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle (D_j) in der Bauteilschicht (L_i) bestimmt und - einen Vorwärmbereich (V_j) innerhalb der Bauteilschicht (L_i), der die Defektstelle (D_j) umfasst, und einen Reparaturbereich (R_j) innerhalb der Bauteilschicht (L_i), der die Defektstelle (D_j) umfasst, auslegt und - mindestens einen neuen Vorwärmpfad (47) für mindestens eine Energiequelle (11) innerhalb einer Kontur (48) des Vorwärmbereichs (V_j) zwecks Vorwärmens des Vorwärmbereichs (V_j) und mindestens einen neuen Reparaturpfad (34) für mindestens eine Energiequelle (11) innerhalb einer Kontur (35) des Reparaturbereichs (R_j) zwecks Reparatur der Defektstelle (D_j) in der Bauteilschicht (L_i) generiert und - die Daten des mindestens einen neuen Vorwärmpfades (47) zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs (V_j) und die Daten des mindestens einen neuen Reparaturpfades (34) zum Umschmelzen des Reparaturbereichs (R_j) an das Steuerungssystem (15) übermittelt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem (15) die Daten des mindestens einen neuen Vorwärmpfades (47) zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs (V_j) und die Daten des mindestens einen neuen Reparaturpfades (34) zum Umschmelzen des Reparaturbereichs (R_j) während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (L_i) aus dem Reparaturvorbereitungssystem (25) empfängt und dass das Steuerungssystem (15) derart ausgelegt ist, dass das Vorwärmen des Vorwärmbereichs (V_j) und Umschmelzen des Reparaturbereichs (R_j) während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (L_i) und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht (L_i+1) auf die Bauteilschicht (L_i) angewendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturvorbereitungssystem (25) den Reparaturbereich (R_j) lokal um die Defektstelle (D_j) auslegt und die Fläche des Reparaturbereichs (R_j) kleiner ist als die Fläche, die durch eine geschlossene Kontur (46) der Bauteilschicht (L_i) begrenzt wird, in welcher sich die Defektstelle (D_j) befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturvorbereitungssystem (25) den Vorwärmbereich (V_j) so auslegt, dass der Vorwärmbereich (V_j) den Reparaturbereich (R_j) umfasst oder mit dem Reparaturbereich (R_j) identisch ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Energiequelle (11) so ansteuerbar ist, dass die Energie dieser Energiequelle (11) wechselnd in den Vorwärmbereich (V_j) und in den Reparaturbereich (R_j) eingebracht wird, um dadurch das Vorwärmen des Vorwärmbereichs (V_j) und das Umschmelzen des Reparaturbereichs (R_j) in einem gleichen Zeitintervall zu gestalten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Energiequellen (11) so ansteuerbar sind, dass die Energie einer Energiequelle (11) ausschließlich in die Vorwärmbereiche (V_j) und die Energie der mindestens einen anderen Energiequelle (11) ausschließlich in die Reparaturbereiche (R_j) eingebracht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenn mindestens zwei Defektstellen (D_j) in einem vorgegebenen Abstand voneinander in der Bauteilschicht (L_i) bestimmt werden, das Reparaturvorbereitungssystem (25) den Vorwärmbereich (V_j) und den Reparaturbereich (R_j) derart auslegt, dass der Vorwärmbereich (V_j) und der Reparaturbereich (R_j) die mindestens zwei Defekte (D_j) umfassen.