DE102020127581A1

DE102020127581A1 - Verfahren und Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102020127581A1
Application number: DE102020127581.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Totzeck; Frank Widulle; Christian Platt; Beat Marco Mout; Diana Spengler
Original assignee: Carl Zeiss AG; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss AG; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2022-04-21
Also published as: WO2022084364A1; US20230256513A1; CN116323047A

Abstract

In einem Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14) wird ein Datensatz (42) erhalten, der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (16, 20) definiert. Es werden eine Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (16, 20) erzeugt. Die Vielzahl von Werkstückschichten (16, 20) bilden einen Schichtstapel (18), der zu einem definierten Zeitpunkt eine oberste Werkstückschicht (20) und eine Anzahl darunterliegender Werkstückschichten (16) aufweist. Der Schichtstapel (18) wird zu dem definierten Zeitpunkt thermisch angeregt und es wird eine Vielzahl von Bildern (60) der obersten Werkstückschicht (20) aufgenommen. Unter Verwendung der Vielzahl von Bildern wird der Schichtstapel (18) inspiziert, um ein Inspektionsergebnis zu erhalten, das repräsentativ für das Werkstück ist. Dabei wird ein individueller zeitlicher Deformationsverlauf (56) der obersten Werkstückschicht (20) in Reaktion auf das thermische Anregen (98) bestimmt. Der individuelle zeitliche Deformationsverlauf (56) weist eine Vielzahl von charakteristischen Merkmalen auf, die einen individuellen Deformationsanstieg (62), ein individuelles Deformationsmaximum (64) und einen individuellen Deformationsabfall (66) beinhalten. Das Inspektionsergebnis wird unter Verwendung von mindestens einem der genannten charakteristischen Merkmale aus der Vielzahl von charakteristischen Merkmalen bestimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks, mit den Schritten

a) Erhalten eines Datensatzes, der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert,
b) Erzeugen der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten unter Verwendung eines Schichtbildungswerkzeugs, das in Abhängigkeit von dem Datensatz gesteuert wird, wobei die Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten einen Schichtstapel bilden, der zu einem definierten Zeitpunkt eine oberste Werkstückschicht und eine Anzahl darunterliegender Werkstückschichten aufweist,
c) Thermisches Anregen des Schichtstapels zu dem definierten Zeitpunkt,
d) Aufnehmen einer Vielzahl von Bildern der obersten Werkstückschicht, und
e) Inspizieren des Schichtstapels unter Verwendung der Vielzahl von Bildern, um ein Inspektionsergebnis zu erhalten, das repräsentativ für das Werkstück ist.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks, mit einem Speicher zum Erhalten eines Datensatzes, der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert, mit einer Fertigungsplattform, mit einem Schichtbildungswerkzeug, mit einem Heizwerkzeug, mit einer Kamera, die auf die Fertigungsplattform gerichtet ist, und mit einer Auswerte- und Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten unter Verwendung des Schichtbildungswerkzeugs und des Datensatzes auf der Fertigungsplattform zu erzeugen, wobei die Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten einen Schichtstapel bilden, der zu einem definierten Zeitpunkt eine oberste Werkstückschicht und eine Anzahl darunter liegender Werkstückschichten aufweist, ferner den Schichtstapel zu dem definierten Zeitpunkt unter Verwendung des Heizwerkzeugs thermisch anzuregen und unter Verwendung der Kamera eine Vielzahl von Bildern der obersten Werkstückschicht aufzunehmen, und schließlich den Schichtstapel unter Verwendung der Vielzahl von Bildern zu inspizieren, um ein Inspektionsergebnis zu erhalten, das repräsentativ für das Werkstück ist.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind dem Grunde nach aus DE 10 2014 212 246 B3 bekannt.
Additive Verfahren zur Herstellung von Werkstücken werden zum Teil als 3D-Druck bezeichnet. Es gibt verschiedene additive Herstellungsverfahren. Beim selektiven Lasersintern (SLS) oder selektiven Laserschmelzen (SLM) wird ein sogenanntes Pulverbett aus einem partikelförmigen Material verwendet. Häufig ist das partikelförmige Material ein metallisches Material. Es gibt jedoch auch Verfahren mit partikelförmigen Kunststoffmaterialien, insbesondere Polymeren. Ausgewählte Pulverpartikel an der Oberseite des Pulverbetts werden mithilfe eines Laserstrahls oder Elektronenstrahls lokal selektiv aufgeschmolzen oder zumindest angeschmolzen und auf diese Weise beim Abkühlen miteinander verbunden. Anschließend wird eine neue Pulverschicht auf der Werkstückstruktur und dem ungeschmolzenen Restpulver verteilt und eine weitere Werkstückschicht mithilfe des Laserstrahls oder Elektronenstrahls erzeugt. Das Werkstück wird so schichtweise in aufeinanderfolgenden Schritten hergestellt. In der Regel werden die einzelnen Werkstückschichten von unten nach oben auf einer Fertigungsplattform erzeugt, die nach jeder Werkstückschicht um die Schichthöhe der nächsten Schicht abgesenkt wird.
Die additive Herstellung von Werkstücken macht es möglich, individuelle Werkstücke mit hohem Komplexitätsgrad und geringem Materialaufwand herzustellen. Zugleich stellen sich aber große Herausforderungen in Bezug auf die Werkstückqualität, da in jeder einzelnen Materialschicht Anomalien auftreten können, die zu Defekten im Werkstück führen können. Folge von Anomalien können Defekte sein, wie etwa Poren im Schichtaufbau, Mikroporen bzw. Porösität, lokale Schichtablösungen/Delaminierung, Risse im Inneren und/oder an der Oberfläche, Dellen, Formabweichungen und/oder Materialspannungen. Aus diesem Grund gibt es zahlreiche Vorschläge, um Defekte in einem additiv hergestellten Werkstück möglichst schon während der Herstellung der Schichtenfolge zu detektieren. US 2015/0061170A1 offenbart beispielsweise einen optischen Messsensor mit einer Kamera, die dazu eingerichtet sein kann, eine 3D Koordinatenmessung an der jeweils obersten Materialschicht zu ermöglichen.
DE 10 2016 115 241 A1 offenbart einen additiven Fertigungsprozess, der das selektive Erwärmen einer Pulverschicht beinhaltet, um eine feste Werkstückschicht zu bilden. Die erzeugten Werkstückschichten werden unter Verwendung eines Wellenerzeugungslasers mit Ultraschallenergiewellen angeregt. Die ausgebreiteten Ultraschallenergiewellen werden detektiert und analysiert, um physikalische Eigenschaften der Werkstückschicht zu bestimmen. Weitere Werkstückschichten werden in Reaktion auf die erhaltenen Informationen erzeugt. US 7,278,315 offenbart ein weiteres Laser-Ultraschallverfahren zur Detektion von Defekten in einem additiv hergestellten Werkstück.
DE 10 2016 110 266 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Werkstücken, wobei Laser-Ultraschallmessungen, absolut-messende Interferometrie oder Laser-Pulsthermografie vorgeschlagen werden, um Werkstückschichten zu inspizieren. Im letztgenannten Fall kann thermische Strahlung, die von der Werkstückoberfläche ausgeht, spektroskopisch analysiert werden. Außerdem erwähnt DE 10 2016 110 266 A1 eine Messung der geometrischen Form und Temperatur des sogenannten Schmelzbades als Inspektionsverfahren.
Die eingangs genannte DE 10 2014 212 246 B3 offenbart eine thermische Anregung eines additiv hergestellten Werkstücks im Verlauf des Herstellungsprozesses, um Defekte in den Werkstückschichten frühzeitig zu detektieren, indem die Wärmestrahlung von der obersten Werkstückschicht thermografisch erfasst und analysiert wird.
DE 10 2016 201 289 A1 offenbart ein weiteres Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks, wobei erste Messdaten während des additiven Aufbaus mit einer thermographischen Materialprüfung oder mit einer Wirbelstrom-Materialprüfung erfasst werden. Zweite Messdaten werden nach dem additiven Aufbau mithilfe einer Computertomographie erfasst und mit den ersten Messdaten verglichen. Ergebnisse der Materialprüfung sollen mit einem nicht näher beschriebenen Algorithmus aus dem Bereich des überwachten maschinellen Lernens klassifiziert werden.
De 10 2017 124 100 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Werkstücken, wobei während der Fertigung eine Prüfung mittels Laserultraschall durchgeführt wird. Zur Analyse wird das Ergebnis der Prüfung mit dem Ergebnis einer Simulation der Prüfung verglichen.
Die Publikation „Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology for metal additive manufacturing“ von Everton et al., Materials and Design 95 (2016), 431-445, gibt einen Überblick über verschiedene Verfahren zur Inspektion von additiv hergestellten Werkstücken unter Verwendung von Kamerabildern und Pyrometrie.
US 8,449,176 B2 beschreibt ein Verfahren zum automatischen Verarbeiten von thermografischen Daten, die nach einer thermischen Anregung eines Messobjekts aufgezeichnet werden. Dabei wird die Varianz der Daten mit der Varianz von entsprechenden Daten eines Referenzobjekts verglichen.
DE 10 2017 108 874 A1 und die prioritätsgleiche US 2020/158499 A1 offenbaren ein optisches System, um allgemein eine Materialprüfung mithilfe einer Beleuchtung aus mehreren unterschiedlichen Richtungen zu ermöglichen. In einigen Varianten kann mit dem System eine Höhenkarte einer zu prüfenden Materialschicht bestimmt werden.
Additiv hergestellte Oberflächen und damit auch die Oberfläche jeder einzelnen Werkstückschicht sind typischerweise sehr rau (im Bereich einiger µm rms) und erzeugen zumindest bei Verwendung von metallischen Materialpartikeln starke Reflexionen. Zudem entstehen häufig topographische Reliefs, z.B. Schreibspuren durch den Laserprozess (Chevron- Muster) oder Muster (z.B. Schachbrett-Muster) durch die Scanstrategie. Außerdem können Defekte an der Oberfläche im Prozess entstehen (z.B. Balling oder Partikelablagerung). In Summe führen diese Variationen, die im Bereich mehrerer 100 µm liegen können, dazu, dass die Inspektion der Werkstückschichten und insbesondere die Detektion von Defekten unter der Oberfläche sehr schwierig ist. Durch die raue Oberfläche und die weiteren Oberflächenvariationen können bei einer thermischen Anregung lokale Temperaturänderungen und Deformationen entstehen, die nicht von Anomalien und Defekten im Werkstück verursacht werden. Die Temperaturänderungen und Deformationen an der rauen Oberfläche überlagern Signale von den darunterliegenden Werkstückschichten. Wünschenswert ist daher ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem Signale, die von der Oberflächentopographie verursacht werden, zuverlässiger von Anomaliesignalen aus den Werkstückschichten unterschieden werden können
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur additiven Herstellung von Werkstücken in hoher Qualität anzugeben. Es ist insbesondere eine Aufgabe, die Qualität der Materialschichten auf effiziente Weise prozessnah zu überwachen, um auftretende oder sich andeutende Schichtdefekte frühzeitig korrigieren zu können. Dabei sollen Anomalien in den Werkstückschichten möglichst zuverlässig von Effekten unterschieden werden, die von einer rauen aber defektfreien Oberfläche verursacht werden können.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei ein individueller zeitlicher Deformationsverlauf der obersten Werkstückschicht in Reaktion auf das thermische Anregen unter Verwendung der Vielzahl von Bildern bestimmt wird, wobei der individuelle zeitliche Deformationsverlauf eine Vielzahl von charakteristischen Merkmalen aufweist, die einen individuellen Deformationsanstieg, ein individuelles Deformationsmaximum und einen individuellen Deformationsabfall beinhalten, und wobei das Inspektionsergebnis unter Verwendung von mindestens einem der genannten charakteristischen Merkmale aus der Vielzahl von charakteristischen Merkmalen bestimmt wird. Vorzugsweise wird das Inspektionsergebnis unter Verwendung von mindestens zwei der genannten charakteristischen Merkmale bestimmt. Außerdem ist es bevorzugt, wenn das mindestens eine der genannten charakteristischen Merkmale das individuelle Deformationsmaximum beinhaltet.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, einen individuellen zeitlichen Deformationsverlauf der obersten Werkstückschicht in Reaktion auf das thermische Anregen unter Verwendung der Vielzahl von Bildern zu bestimmen, wobei der individuelle zeitliche Deformationsverlauf eine Vielzahl von charakteristischen Merkmalen aufweist, die einen individuellen Deformationsanstieg, ein individuelles Deformationsmaximum und einen individuellen Deformationsabfall beinhalten, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit das Inspektionsergebnis unter Verwendung von mindestens einem der genannten charakteristischen Merkmale aus der Vielzahl von charakteristischen Merkmalen bestimmt.
Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung nutzen eine thermische Anregung des Schichtstapels, um Defekte möglichst frühzeitig im Herstellungsablauf zu erkennen. Im Unterschied zu den eingangs genannten Verfahren und Vorrichtungen wird nun jedoch ein Deformationsverlauf der obersten Werkstückschicht unter Verwendung der Bilder bestimmt und analysiert. Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung betrachten also vorrangig mechanische (dimensionelle und/oder geometrische) Veränderungen an der Werkstückoberfläche in Reaktion auf die thermische Anregung. Eine thermische Analyse des Schichtstapels in Reaktion auf die thermische Anregung, etwa eine Temperaturverteilung, kann in einigen Ausführungsbeispielen zusätzlich und ergänzend zu der Analyse des Deformationsverlaufs erfolgen, und die Inspektionsergebnisse der thermischen Analyse können vorteilhaft mit den Inspektionsergebnissen aus dem Deformationsverlauf kombiniert werden. Ungeachtet dessen basiert die Defekterkennung bei dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung aber auf einer Analyse der mechanischen Deformationen des Schichtstapels in Reaktion auf eine thermische Anregung, die sich an der obersten Werkstückschicht zeigt.
Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung betrachten darüber hinaus das zeitliche Verhalten des Schichtstapels in Reaktion auf die thermische Anregung. Analysiert wird also nicht allein, ob oder wie stark eine Deformation des Schichtstapels an der obersten Werkstückschicht sichtbar wird. Vielmehr wird darüber hinaus der zeitliche Verlauf der Deformationen über ein definiertes Zeitintervall mit Beginn und/oder im Anschluss an die thermische Anregung analysiert. Daher wird die Vielzahl von Bildern vorteilhaft zeitlich gestaffelt in einer Zeitreihe aufgenommen. Mit anderen Worten beinhaltet die Vielzahl von Bildern vorteilhaft einen Bilderstapel, in dem die Bilder in zeitlicher Folge enthalten sind. Wie nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben ist, lassen sich Anomalien in dem Schichtstapel einschließlich Anomalien unter der Oberfläche der obersten Werkstückschicht damit zuverlässig detektieren, auch wenn die Schichtoberflächen Rauigkeit und/oder Schreibstrukturen aufweisen und/oder Lichtreflexe hervorrufen.
Wie nachfolgend näher erläutert ist, weist der zeitliche Deformationsverlauf eine Vielzahl von Merkmalen auf, die für eine Anomalie im Schichtstapel charakteristisch sein können. Diese Merkmale sind insbesondere ein individueller Deformationsanstieg, der sich als ansteigende Flanke im Deformationsverlauf zeigen kann, ein individuelles Deformationsmaximum im Deformationsverlauf sowie ein individueller Deformationsabfall, der sich als fallende Flanke im Deformationsverlauf zeigen kann. In einigen Ausführungsbeispielen können Wendepunkte in einem individuellen Deformationsverlauf gesucht und analysiert werden. Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung verwenden vorteilhaft zumindest zwei dieser drei genannten Merkmale bei der Analyse des zeitlichen Deformationsverlaufs und der Detektion von Anomalien, weil sich gezeigt hat, dass damit eine zuverlässigere Unterscheidung zu Störsignalen von einer zwar rauen aber defektfreien Oberfläche möglich ist. Besonders vorteilhaft wird das Inspektionsergebnis unter Verwendung des individuellen Deformationsmaximums im Deformationsverlauf, dem sogenannten Overshoot, bestimmt, weil dieses Merkmal besonders charakteristisch für einen Hohlraum unter der Oberfläche der obersten Werkstückschicht ist und ein solcher Hohlraum ein schwerwiegender Defekt sein kann. Des Weiteren ist es in einigen Ausführungsbeispielen bevorzugt, wenn alle drei genannten Merkmale zur Bestimmung des Inspektionsergebnisses in Kombination miteinander verwendet werden.
Wie bereits angedeutet, ermöglichen das neue Verfahren und die neue Vorrichtung eine zuverlässige Detektion von Anomalien in der Schichtenfolge eines additiv hergestellten Werkstücks bereits im Herstellungsprozess. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besitzt jedes Bild aus der Vielzahl von Bildern eine Vielzahl von Bildsegmenten, und für jedes Bildsegment aus der Vielzahl von Bildsegmenten wird ein jeweils individueller zeitlicher Deformationsverlauf in Reaktion auf das thermische Anregen bestimmt, wobei das Inspektionsergebnis unter Verwendung der jeweils individuellen zeitlichen Deformationsverläufe bestimmt wird.
Vorteilhaft kann jedes Bildsegment ein separates Bildpixel sein, so dass eine Vielzahl von individuellen zeitlichen Deformationsverläufen unter Verwendung der Bilder pixelweise bestimmt wird. Es ist jedoch auch möglich, individuelle zeitliche Deformationsverläufe über Pixelcluster oder Bildsegmente, die zahlreiche Bildpixel beinhalten, zu bestimmen und zu analysieren. Die Bestimmung einer Vielzahl von individuellen zeitlichen Deformationsverläufen unter Verwendung der Vielzahl von zeitlich gestaffelten Bildern ermöglicht es, die laterale Ausdehnung und/oder laterale Verteilung von detektierten Anomalien zu bestimmen. Daher ist es mit dieser Ausgestaltung möglich, eine quantitative Abschätzung der Größe von etwaigen Defekten zu erhalten. Dies macht es einfacher, eine Entscheidung über die Qualitätseigenschaften des Werkstücks und dessen Verwendbarkeit für den vorgesehenen Zweck zu treffen. Der Begriff „Bilder“ kann sich dabei einerseits auf Intensitätsbilder beziehen, wie sie mit einer Kamera aufgenommen werden, insbesondere Bilder, die eine Vielzahl von Bildpixeln besitzen, welche jeweils einen Intensitätswert im Sinne einer Helligkeit repräsentieren, beispielsweise Grauwertbilder. Andererseits kann sich der Begriff „Bilder“ hier aber vorteilhaft auf komplexe Amplituden- und Phasenbilder beziehen, die mit Hilfe einer Bildverarbeitung aus Intensitätsbildern bestimmt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet das thermische Anregen des Schichtstapels ein thermisches Anregen der obersten Werkstückschicht in einem ersten Schichtbereich, der lokal begrenzt ist, und die Vielzahl von Bildern zeigen den ersten Schichtbereich und einen weiteren Schichtbereich der obersten Werkstückschicht, wobei der erste Schichtbereich und der weitere Schichtbereich disjunkt sind.
In dieser Ausgestaltung zeigen die Bilder den thermisch angeregten Bereich der obersten Werkstückschicht und einen weiteren Bereich der obersten Werkstückschicht, der nicht oder zumindest nicht unmittelbar angeregt wird und daher von dem ersten Bereich verschieden ist. Beispielsweise kann die thermische Anregung mit einem Laserstrahl mit mehreren mm Durchmesser erfolgen. Allgemein kann die thermische Anregung auf der obersten Werkstückschicht in einem lokalen Bereich mit einem Durchmesser von bis zu 20 mm, vorzugsweise in einem Bereich von bis zu 10 mm erfolgen. Dadurch, dass die Bilder einen weiteren, nicht oder nicht unmittelbar angeregten weiteren Schichtbereich zeigen, macht es diese Ausgestaltung möglich, einen oder mehrere individuelle Deformationsverläufe zu bestimmen, die nicht oder zumindest nicht unmittelbar eine Reaktion auf die thermische Anregung zeigen. Vorteilhaft können solche weiteren Deformationsverläufe bei dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung bestimmt und als Referenz-Deformationsverläufe verwendet werden. Beispielsweise machen es Referenz-Deformationsverläufe möglich, etwaige zeitvariante Deformationen im Schichtstapel zu detektieren, die nicht oder nicht unmittelbar von der thermischen Anregung stammen, sondern beispielsweise Folge einer Vibration, einer Erschütterung oder eines anderen ungewollten Einflusses sind. Vorteilhaft verwenden das neue Verfahren und die neue Vorrichtung einen solchen Referenz-Deformationsverlauf, um den einen oder die mehreren zeitlichen Deformationsverläufe zu normieren und somit Vibrationseinflüsse zu eliminieren. Beispielsweise können ein oder mehrere Referenz-Deformationsverläufe von dem einen oder den mehreren zeitlichen Deformationsverläufen subtrahiert werden, um den Einfluss der thermischen Anregung zu maximieren. Darüber hinaus erlaubt diese Ausgestaltung eine einfachere Lokalisation eines Defekts in den Bildern. Die Ausgestaltung trägt daher zu einer noch zuverlässigeren Defekterkennung bei.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhalten die Vielzahl von Bildern zumindest ein erstes Bild der obersten Werkstückschicht, das vor dem thermisches Anregen aufgenommen wurde, wobei das Inspektionsergebnis unter Verwendung des zumindest einen ersten Bildes bestimmt wird.
In dieser Ausgestaltung beinhaltet der Bilderstapel der in einer Zeitreihe aufgenommenen Bilder zumindest ein Bild, das die oberste Werkstückschicht ohne die thermische Anregung zeigt. Ein solches Bild kann zu Beginn jeder neuen Zeitreihe und damit vor jeder neuen Anregung aufgenommen werden. Es kann jedoch auch als Referenzbild für eine Vielzahl von Bilderstapeln in einem Speicher bereitgestellt werden. Die Ausgestaltung stellt ein globales Referenzbild ohne thermische Anregung zur Verfügung, das die Lokalisierung von detektierten Anomalien erleichtert. Es kann zudem vorteilhaft für eine Vibrationskompensation verwendet werden. Daher trägt auch diese Ausgestaltung vorteilhaft zu einer noch zuverlässigeren Defekterkennung bei.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Vielzahl von Bildern unter Verwendung von zumindest einem Referenzbild normiert, bevor der individuelle zeitliche Deformationsverlauf bestimmt wird.
Auch diese Ausgestaltung trägt vorteilhaft dazu bei, die Reaktion des Schichtstapels auf die thermische Anregung möglichst störungsfrei zu betrachten, indem Bildinformation, die nicht auf die thermische Anregung zurückzuführen ist, minimiert werden kann. Beispielsweise kann durch Subtraktion des zumindest einen Referenzbildes von den zeitlich gestaffelten Bildern des Bilderstapels ein jeweils normiertes Zeitbild erzeugt werden, in dem die Reaktion des Schichtstapels auf die thermische Anregung stärker hervorgehoben ist. Die Ausgestaltung trägt somit vorteilhaft dazu bei, eine noch höhere Detektionssicherheit zu erreichen.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Vielzahl von Bildern mit einer Bildrate von > 1 kHz aufgenommen.
Eine solche Bildrate hat sich als vorteilhaft erwiesen, um die oben genannten charakteristischen Merkmale in dem zumindest einen Deformationsverlauf mit hoher Zuverlässigkeit zu analysieren. Vorteilhaft ermöglicht eine solche Bildrate eine Transientenanalyse mit so hoher zeitlicher Auflösung, dass auch kleinere Defekte einschließlich poröser Stellen im Schichtstapel zuverlässig erkannt werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Inspektionsergebnis auf Basis der Vielzahl von Bildern unter Verwendung einer Hauptkomponentenanalyse bestimmt.
Eine Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis, PCA) ist ein an sich bekanntes mathematisches Verfahren der Statistik. Sie eignet sich vorteilhaft dazu, umfangreiche Datensätze zu strukturieren und zu vereinfachen, indem eine Vielzahl statistischer Variablen durch eine geringere Zahl möglichst aussagekräftiger Linearkombinationen, die sogenannten Hauptkomponenten, angenähert wird. Die Hauptkomponentenanalyse ermöglicht auf sehr vorteilhafte und effiziente Weise eine Analyse von vielen Deformationsverläufen und eignet sich daher besonders gut, wenn individuelle zeitliche Deformationsverläufe über viele Bildsegmente und sogar auf Pixelebene analysiert werden sollen. Vorteilhaft können in einigen Ausführungsbeispielen die charakteristischen Merkmale jedes Deformationsverlaufs oder alternativ ein Polynom oder eine rationale Funktion mit bis zu 6 Freiheitsgraden verwendet werden, um die zeitliche Änderung jedes Deformationsverlaufs in logarithmierter Form zu modellieren. Mittels Hauptkomponentenanalyse lassen sich die so erzeugten Koeffizientenbilder in eine geringere Anzahl von komprimierteren PCA-Koeffizientenbildern überführen. Auf diese komprimierten PCA-Koeffizientenbilder können dann Clusteralgorithmen vorteilhaft zur Segmentierung angewendet werden. In Kombination mit einer Schwellwertentscheidung lässt sich dann auf effiziente Weise eine Anomaliewahrscheinlichkeit in den jeweils segmentierten Bildbereichen bestimmen. Die Hauptkomponentenanalyse ermöglicht daher eine sehr effiziente Bestimmung des Inspektionsergebnisses.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Schichtstapel wiederholt thermisch angeregt und das Inspektionsergebnis wird in Abhängigkeit von den wiederholten Anregungen bestimmt. In einigen bevorzugten Varianten dieser Ausgestaltung wird zumindest ein Anregungsparameter, insbesondere eine Anregungsintensität und/oder eine Anregungsdauer variiert und das Inspektionsergebnis wird in Abhängigkeit von dem zumindest einen Anregungsparameter bestimmt.
In dieser Ausgestaltung werden mehrere Messreihen an einer obersten Werkstückschicht durchgeführt, indem die eingangs genannten Schritte c) und d) wiederholt werden. Dabei kann die Intensität der Anregung, beispielsweise die Energie des Laserpulses oder die Dauer der Anregung von Messreihe zu Messreihe variieren. Des Weiteren kann der Ort oder ein Anregungsmuster auf der obersten Werkstückschicht von Messreihe zu Messreihe variiert werden. Man erhält auf diese Weise eine Vielzahl von individuellen Deformationsverläufen, die direkt oder beispielsweise nach einer Hauptkomponentenanalyse miteinander korreliert werden können, um Anomalien unter der Oberfläche der obersten Werkstückschicht noch zuverlässiger zu detektieren. Aber auch ohne Variation der Anregungsparameter kann eine wiederholte Messung vorteilhaft sein, um die Zuverlässigkeit der Messung zu erhöhen, beispielsweise durch eine Mittelwertbildung.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Inspektionsergebnis unter Verwendung einer Vielzahl von Bildern von einer Vielzahl von jeweils obersten Werkstückschichten bestimmt wird.
In dieser Ausgestaltung werden mehrere Messreihen an mehreren, jeweils obersten Werkstückschichten durchgeführt, indem die eingangs genannten Schritte c) und d) an aufeinander angeordneten (typischerweise voneinander verschiedenen) Werkstückschichten ausgeführt werden, wobei das jeweilige Inspektionsergebnis in Abhängigkeit von den mehrere Messreihen bestimmt wird. Besonders vorteilhaft kann eine gewichtete zeitliche Mittelung der Deformationsverläufe von zeitlich aufeinanderfolgenden jeweils obersten Werkstückschichten vorgenommen werden. Da sich die Rauigkeit und Topografie verschiedener aufeinander folgender Schichten unterscheidet, können mit einer solchen Mittelwertbildung stochastische Effekte der einzelnen Schichten reduziert werden. Hingegen wird eine Anomalie unter der jeweils obersten Werkstückschicht auf jede Messreihe Einfluss nehmen und kann daher noch zuverlässiger detektiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der individuelle zeitliche Deformationsverlauf unter Verwendung von zumindest einem der folgenden Messverfahren bestimmt: Speckle-Interferometrie, Digitale Holographie, Shearographie; Laser-Vibrometrie, Fabry-Perot-Interferometrie, Sagnac-Interferometrie, Interferometrie mit nichtlinearer Optik.
In einem Speckle-Interferometer kann unter Verwendung von kohärentem Licht eine Oberflächenmessung mit interferometrischer Genauigkeit vorgenommen werden, z.B. mit einem Electronic Speckle Pattern Interferometer (ESPI). ESPI ist besonders vorteilhaft bei technischen Oberflächen mit Rauheiten im Bereich von mehreren µm rms einzusetzen. Außerdem ermöglicht ESPI die Messung von Deformationen orthogonal zur Oberfläche (z-Richtung, „out-of-plane“) sowie auch in der Oberflächenebene (x/y-Richtung, „in-plane“). Für eine prozessangepasst schnelle flächenhafte Messung im kHz-Bereich ist es vorteilhaft, ein ESPI-System mit räumlichem (anstatt zeitlichem) Phasenshift zu verwenden. Falls anwendungsbedingt die Messgrößen den Eindeutigkeitsbereich des Interferometers übersteigen (durch Kombination aus Heizparameter, Bildwiederholrate, Material) können Phase-Unwrapping Algorithmen auf die Messwerte angewandt werden oder zwei oder mehrere Wellenlängen im Interferometer benutzt werden, um den Eindeutigkeitsbereich zu vergrößern. Die Verwendung von zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Winkeln (Beobachtungs- oder Beleuchtungsrichtung) im Speckle-Interferometer erlaubt die Messung der Oberflächenform/Topographie.
Bei der Shearographie wird ein Shearing-Element (z.B. eine Keilplatte oder ein Kippspiegel) im optischen Strahlengang verwendet, wodurch die zu messende Oberfläche einerseits direkt und andererseits zeitgleich lateral versetzt auf den Kamerasensor abgebildet wird. Die Messgröße ist hier der Gradient der Deformation in Richtung des lateralen Bildversatzes. Dadurch ist die Sensitivität im Wesentlichen entlang einer lateralen Vorzugsrichtung gegeben, weshalb es für die Erfassung der Gesamtdeformation vorteilhaft ist, eine weitere Messung in einer weiteren lateralen Richtung (vorzugsweise orthogonal zur ersten) durchzuführen.
Speckle-Interferometrie und Shearographie besitzen den Vorteil, dass die Messergebnisse eine hohe laterale und axiale Auflösung besitzen. Sie sind daher vorteilhaft, wenn großflächige Werkstücke inspiziert werden sollen. Im Gegensatz dazu ist es vorteilhaft, Laser-Vibrometrie, Fabry-Perot-Interferometrie, Sagnac-Interferometrie oder Interferometrie mit nichtlinearer Optik mit einer Abtastung der Werkstückoberfläche in lateraler Richtung zu kombinieren, mithin die Werkstückoberfläche abzutasten. Die genannten Verfahren besitzen eine hohe axiale Auflösung und ermöglichen daher eine zuverlässige Detektion von Anomalien in der Tiefe des Schichtstapels.
Ein Vibrometer wird üblicherweise für Schwingungsanalysen unter Ausnutzung des optischen Dopplereffekts verwendet, um Geschwindigkeiten und/oder Auslenkungen der Oberfläche zu messen. Für eine ortsaufgelöste Messung eignen sich scannende Systeme (3D Scanning Vibrometer) oder Multipoint-Vibrometer. Für eine prozessangepasst schnelle flächenhafte Messung im kHz-Bereich ist ein Multipoint-Vibrometer von Vorteil, um eine zeitsynchrone Aufnahme aller Messpunkte der Oberfläche zu erhalten.
Sämtliche vorgenannten Verfahren ermöglichen eine sehr detailgenaue Bestimmung von thermisch angeregten Deformationsverläufen anhand der aufgenommenen Bilder.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Inspektionsergebnis ferner unter Verwendung eines thermischen Transientenverlaufs und/oder unter Verwendung eine Ultraschallanregung und/oder unter Verwendung eines simulierten Deformationsverlaufs und/oder unter Verwendung einer Schmelzbadcharakterisierung und/oder unter Verwendung einer winkelselektiven Beleuchtung der obersten Werkstückschicht bestimmt.
In dieser Ausgestaltung wird die Inspektion auf Basis von thermisch angeregten Deformationstransienten mit anderen Inspektionsverfahren kombiniert, die für sich genommen bereits im eingangs genannten Stand der Technik vorgeschlagen wurden. Die Ausgestaltung ermöglicht eine noch zuverlässigere Detektion von Defekten unter der Oberfläche der obersten Werkstückschicht aufgrund der nochmals erhöhten Informationsdichte. Die für sich genommen bekannten Inspektionsverfahren werden in Kombination mit dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung noch effektiver. Besonders vorteilhaft ist die Kombination der Inspektion auf Basis von Deformationstransienten und einer Inspektion des Pulverbetts mit eingebetteten Werkstückschichten unter Verwendung einer winkelselektiven Beleuchtung, wie sie in der eingangs genannten DE 10 2017 108 874 A1 und der prioritätsgleichen US 2020/158499 A1 beschrieben ist.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung,
2 einige beispielhafte Deformationsverläufe zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens,
3 ein beispielhaftes Bild von einer obersten Werkstückschicht zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens,
4 weitere beispielhafte Deformationsverläufe zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens,
5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens, und
6 ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Inspektion einer obersten Werkstückschicht in einem Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besitzt eine Fertigungsplattform 12, auf der hier ein Werkstück 14 gemäß einem Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens additiv hergestellt wird. Das Werkstück 14 wird in zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten schichtweise, d.h. mit aufeinander angeordneten Werkstückschichten 16, von unten nach oben hergestellt. Die Werkstückschichten 16 bilden einen Schichtstapel 18 mit einer jeweils obersten Werkstückschicht 20.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Werkstückschichten 16, 20 jeweils aus einem partikelförmigen Material 22, insbesondere einem metallischen Material und/oder einem Kunststoffmaterial in einem sogenannten Pulverbett hergestellt. Das partikelförmige Material 22 wird aus einem Reservoir 24 entnommen und mithilfe eines Rakels 26, der in Richtung des Pfeils 28 bewegbar ist, auf einem vorhandenen Schichtstapel 18 verteilt. Typischerweise wird die Fertigungsplattform 12 dafür in Richtung des Pfeils 30 um die Höhe der nächsten Werkstückschicht abgesenkt und/oder das Reservoir 24 wird relativ zu der Fertigungsplattform 12 angehoben.
Mit der Bezugsziffer 32 ist ein Werkzeug bezeichnet, mit dem das partikelförmige Material 22 auf dem Schichtstapel 18 selektiv verfestigt werden kann. In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet das Werkzeug 32 einen Laserstrahl 34 und bewegt diesen relativ zu der Fertigungsplattform 12 entlang einer Trajektorie 36, um eine Werkstückschicht 18 aus dem partikelförmigen Material 22 zu erzeugen. Mit dem Laserstrahl 34 können die Materialpartikel selektiv auf- und/oder angeschmolzen werden, so dass sie an einander binden und sich beim Abkühlen verfestigen. Ein solches Herstellungsprinzip ist als Selektives Laserschmelzen (SLM) oder Selektives Lasersintern (SLS) bekannt.
In anderen Ausführungsbeispielen kann das Schichtbildungswerkzeug 32 einen Elektronenstrahl erzeugen, um eine Werkstückschicht auf der Fertigungsplattform 12 zu erzeugen. Des Weiteren kann die Vorrichtung 10 mehr als ein Schichtbildungswerkzeug 32 beinhalten, also etwa zwei oder mehr Laser- und/oder Elektronenstrahlen zum Erzeugen von Werkstückschichten verwenden. Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung sind jedoch nicht auf ein solches Herstellungsprinzip beschränkt. Alternativ oder ergänzend können die Werkstückschichten mit anderen additiven Verfahren erzeugt werden, etwa mit der sogenannten Stereolithografie oder durch selektives Zuführen und/oder Abscheiden von Material.
Das Schichtbildungswerkzeug 32, im Folgenden der Einfachheit halber als Schreiblaser bezeichnet, ist mit einer Auswerte- und Steuereinheit, nachfolgend kurz Steuerung 38, verbunden, die die Bewegung des Laserstrahls 34 steuert. Die Steuerung 38 besitzt hier eine Schnittstelle 40, über die ein Datensatz 42 eingelesen werden kann, der das herzustellende Werkstück 14 in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Schichten definiert. Die Steuerung 38 steuert die Bewegung des Laserstrahls 34 relativ zu dem Schichtstapel 18 in Abhängigkeit von dem Datensatz 42, wobei der Laserstrahl 30 in jeder herzustellenden Werkstückschicht 16, 18 eine Trajektorie 36 beschreibt, die sich jeweils aus dem Datensatz 42 ergibt. In einigen Ausführungsbeispielen ist die Steuerung 38 mithilfe eines oder mehrerer handelsüblicher Personal Computer realisiert, auf denen ein Betriebssystem, wie etwa Microsoft Windows, MacOS oder Linux, und ein oder mehrere Steuerprogramme ausgeführt werden, mit denen Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens implementiert sind. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Steuerung 38 als Soft-SPS auf einem handelsüblichen PC realisiert sein. Alternativ oder ergänzend kann die Steuerung 38 mithilfe dedizierter Steuerungshardware mit einem oder mehrere ASICs, FPGAs, Mikrocontrollern, Mikroprozessoren oder vergleichbaren Logikschaltkreisen realisiert sein.
Die Vorrichtung 10 besitzt ferner eine Messanordnung, die dazu eingerichtet ist, die Werkstückschichten 16, 20 zu inspizieren. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen ist die Messanordnung außerdem dazu eingerichtet ist, die jeweils oberste Materialschicht aus dem partikelförmige Material 22 auf dem Schichtstapel 18 zu inspizieren, bevor das partikelförmige Material 22 zur Bildung einer neuen Werkstückschicht selektiv verfestigt wird.
Die Messanordnung beinhaltet hier eine Kamera 44 und ein Heizwerkzeug 46, die jeweils mit der Steuerung 38 (oder mit einer separaten Steuerung für die Messanordnung, hier nicht dargestellt) verbunden sind. Die Kamera 44 ist dazu eingerichtet, eine Vielzahl von Bildern von der jeweils obersten Werkstückschicht 18 des Schichtstapels 18 aufzunehmen. Das Heizwerkzeug 46 ist dazu eingerichtet, den Schichtstapel 18 zu einem definierten Zeitpunkt thermisch anzuregen. In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet das Heizwerkzeug 46 einen weiteren Laserstrahl 48, der die jeweils oberste Materialschicht 18 beleuchtet und den Schichtstapel 18 lokal aufheizt. Alternativ oder ergänzend kann das Heizwerkzeug 46 einen Elektronenstrahl beinhalten und/oder den Schichtstapel 18 induktiv mit einem Energieimpuls thermisch anregen.
Die thermische Anregung erhöht die Temperatur an der Oberfläche des Schichtstapels 18. Aufgrund des Temperaturgradienten breitet sich die Wärme von der Oberfläche in das Volumen des Schichtstapels aus. Dabei dehnt sich das Material aus. Diese Dehnung führt zu lokalen Deformationen im Schichtstapel und an dessen Oberfläche, deren räumlicher und zeitlicher Verlauf mit der Messanordnung erfasst wird. Vorteilhaft kann die Messanordnung die Deformationen mit Hilfe der Kamera 44 sowie Interferometrie erfassen. Dementsprechend kann die Kamera 44 Bestandteil eines interferometrischen Messsystems sein, insbesondere eines Speckle-Interferometers. Alternativ oder ergänzend kann die Messanordnung Shearographie, Laser-Vibrometrie, Fabry-Perot-Interferometrie, Sagnac-Interferometrie und/oder Interferometrie mit einer nichtlinearen Optik implementieren.
Die Deformationen in Reaktion auf die thermische Anregung hängen einerseits von den Materialeigenschaften und andererseits vom individuellen Schichtaufbau ab. Oberflächenrauheit und die Trajektorien 36 des Schreibstrahls 34 können den individuellen Schichtaufbau beeinflussen. Die Messanordnung mit der Kamera 44 und dem Heizwerkzeug 46 ist dazu eingerichtet, die lokalen Deformationen im Schichtstapel in Reaktion auf die thermische Anregung sowohl zeitlich als auch räumlich aufgelöst zu erfassen. Vorteilhaft ist die Auswerte- und Steuereinheit 38 ferner dazu eingerichtet, die Transienten in den erfassten Deformationen zu analysieren. Wird hierbei lokal variierendes Verhalten der dimensionell erfassbaren Größen an der Oberfläche des Schichtstapels festgestellt, lassen sich daraus Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften ziehen und insbesondere Defektstellen (Anomalien) im Schichtstapel bestimmen. Beispiele für solche Defektstellen sind Lunker, Porösität, unaufgeschmolzene Partikel, Schichtablösungen u.a. Bei variierender Porösität verändert sich beispielsweise die Wärmeleitung. Bei Einzeldefekten, wie z.B. Lunker mit mehreren 100 µm Ausdehnung in allen 3 Dimensionen, führt ein Wärmestau zusammen mit den mechanischen Eigenschaften beispielsweise zu einem charakteristischen zeitlichen Deformationsverlauf, wie er weiter unten mit Bezugnahme auf die 2 und 3 näher erläutert ist.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Messanordnung eine Beleuchtungsanordnung mit einer Vielzahl von Beleuchtungsmodulen 50a, 50b beinhalten, die an verschiedenen Positionen relativ zu der Fertigungsplattform 12 angeordnet sind, um die Oberfläche des Schichtstapels aus mehreren unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten. In Kombination mit der Kamera 44 kann die Beleuchtungsanordnung vorteilhaft verwendet werden, um die Oberfläche des Schichtstapels zusätzlich mit einem Verfahren zu inspizieren, wie es in der eingangs genannten DE 10 2017 108 874 A1 und der prioritätsgleichen US 2020/158499 A1 beschrieben ist, die hier durch Bezugnahme aufgenommen sind. Besonders vorteilhaft kann mithilfe der Beleuchtungsanordnung die Oberfläche des Pulverbetts vor dem selektiven Verfestigen der Partikel inspiziert werden, um das Entstehen von Anomalien frühzeitig zu erkennen und möglichst zu vermeiden.
In 1 ist angedeutet, wie der Laserstrahl 48 einen lokal begrenzten Schichtbereich 52 auf der obersten Werkstückschicht 20 beleuchtet. Der Laserstrahl 48 kann beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 10 mm sowie ein gaußförmiges oder bevorzugt Flattop-förmiges Intensitätsprofil haben. Um den thermisch angeregten Schichtbereich 52 ist hier ein weiterer Schichtbereich 54 angedeutet, der nicht unmittelbar thermisch angeregt wird. Der weitere Schichtbereich 54 ist hier beispielhaft weitgehend konzentrisch zu dem Schichtbereich 52 dargestellt. Er kann aber auch räumlich entfernt und/oder neben dem Schichtbereich 52 angeordnet sein. Wie weiter oben schon angedeutet, können ein oder mehrere individuelle zeitliche Deformationsverläufe in dem weiteren Schichtbereich 54 bestimmt werden und als Referenz bei der Analyse von individuellen zeitlichen Deformationsverläufen aus dem Schichtbereich 52 dienen.
2 zeigt beispielhaft mehrere individuelle zeitliche Deformationsverläufe 56a, 56b, 56c, 56d, die hier an ausgewählten Pixeln 58a, 58b, 58c, 58d eines mit der Kamera 44 aufgenommenen Bilderstapels bestimmt wurden. Der Bilderstapel beinhaltet eine Vielzahl von Bildern 60, von denen eines in 3 beispielhaft dargestellt ist. Die Bilder 60 des Bilderstapels zeigen jeweils die Deformationen an der Oberfläche der obersten Werkstückschicht, nachdem diese mit dem Heizwerkzeug thermisch angeregt wurde. In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die Bilder 60 mit einer Bildrate von 1 kHz oder mehr aufgenommen. Dementsprechend besitzen die Deformationsverläufe 56a, 56b, 56c, 56d hier jeweils eine zeitliche Auflösung von 1 ms oder kleiner. Auf der Abszisse in 2 ist die Zeit t in ms angegeben, wobei die thermische Anregung hier mit einem Heizimpuls erfolgte, der einige Millisekunden, etwa 5 ms andauerte und hier bei t = 0 endete. Mit anderen Worten zeigt 3 verschiedene individuelle Deformationsverläufe 56a, 56b, 56c, 56d ab dem Moment des Abschaltens der thermischen Anregung im Zeitpunkt t = 0. Auf der Ordinate ist eine Dimension z in nm in axialer Richtung, d.h. senkrecht zu der Oberfläche der obersten Werkstückschicht 20 angegeben. Die Dimension z zeigt die Deformationen an der Oberfläche des Schichtstapels 18 senkrecht zu der Oberfläche der obersten Werkstückschicht 20.
Der Deformationsverlauf 56a ist hier beispielhaft für einen Werkstückbereich (bzw. ein diesen Werkstückbereich abbildendes Pixel 58a), der weder eine verborgene Anomalie noch eine störende Oberflächenrauigkeit beinhaltet. Der Deformationsverlauf 56a zeigt hier eine kontinuierlich abfallende Kurve entsprechend der nach Abschalten des Heizimpulses kontinuierlich abnehmenden Deformation. Demgegenüber besitzt der Deformationsverlauf 56b zunächst einen individuellen Deformationsanstieg 62 bis zu einem individuellen Deformationsmaximum 64. Erst nach dem individuellen Deformationsmaximum 64 fällt der Deformationsverlauf 56b mit einem individuellen Deformationsabfall 66 ab. Der sogenannte Overshoot 68, das ist hier die Differenz zwischen dem individuellen Deformationsmaximum 64 und dem Maximum des Deformationsverlaufs 56a ist ein charakteristisches Merkmal für einen unter der Werkstückoberfläche verborgenen Hohlraum, mithin eine Anomalie, weil sich die Wärme über dem Hohlraum zunächst staut. Die Deformationsverläufe 56c und 56d sind beispielhaft für Werkstückbereiche ohne verborgene Anomalie, jedoch mit Rauheitssignalen von der Werkstückoberfläche. Man erkennt auch hier einen gewissen Overshoot, der aber geringer ist als bei dem Deformationsverlauf 56b. Außerdem ist der Deformationsabfall jeweils flacher als bei dem Deformationsverlauf 56b, wie man anhand der gestrichelt eingezeichneten Tangenten 70a, 70b, 70d erkennen kann.
4 zeigt beispielhaft drei individuelle zeitliche Deformationsverläufe 56e, 56f, 56g, die einerseits den Zeitraum der thermischen Anregung selbst (vom Zeitpunkt t = 0 an) und andererseits einen Zeitraum nach dem Abschalten der thermischen Anregung bei etwa t = 4ms repräsentieren. Der Deformationsverlauf 56e ist hier wieder beispielhaft für einen Werkstückbereich (bzw. ein diesen Werkstückbereich abbildendes Pixel), der weder eine verborgene Anomalie noch eine störende Oberflächenrauigkeit beinhaltet. Er kann damit als Referenzverlauf angesehen werden. Der Deformationsverlauf 56e besitzt einen mittelstarken Anstieg 62 der lokalen Deformation bis zu einem Maximum 64, das zum Zeitpunkt des Abschaltens der thermischen Anregung (hier bei Bezugsziffer 65) erreicht wird, sowie einen ab dann einsetzenden mittelstarken Abfall der lokalen Deformation. Demgegenüber besitzt der Deformationsverlauf 56f einen im Vergleich zu dem Deformationsverlauf 56e steileren Anstieg der lokalen Deformation während der thermischen Anregung sowie den zuvor bereits erwähnten Overshoot 68. Das individuelle Deformationsmaximum 64 des Deformationsverlaufs 56f tritt erst nach dem Abschalten der thermischen Anregung (angedeutet bei Bezugsziffer 65) auf. Der Deformationsverlauf 56f ist typisch für eine unter der Werkstückoberfläche verborgene Anomalie. Der Abfall 66 der Deformation ist im Vergleich zu dem Deformationsverlauf 56e ebenfalls steiler. Der Deformationsverlauf 56g ist auch hier beispielhaft für einen Werkstückbereich ohne verborgene Anomalie, jedoch mit Rauheitssignalen von der Werkstückoberfläche. Man erkennt, dass sowohl der Deformationsanstieg als auch der Deformationsabfall weniger steil sind als bei den Deformationsverläufen 56e und 56f. Im Gegensatz zu dem Deformationsverlauf 56e besitzt der Deformationsverlauf 56g einen Overshoot, der aber kleiner ist als bei dem Deformationsverlauf 56f. Die absoluten Größen der verschiedenen Signale hängen unter anderem von der jeweiligen lokalen Heizleistung und (sofern vorhanden) von der Defektgröße und der Defekttiefe sowie der Oberflächenstruktur ab. Ein tiefliegender Defekt kann daher prinzipiell ein kleineres Signal verursachen als eine Rauigkeit an der Oberfläche, weshalb die Deformationsverläufe in einigen Ausführungsbeispielen relativ zu einem Referenzverlauf analysiert werden.
Dementsprechend deuten mehrere charakteristische Merkmale eines zeitlichen Deformationsverlaufs auf eine Anomalie im Unterschied zu Rauheitseffekten der Oberfläche hin. Die charakteristischen Merkmale 62, 64, 66 ermöglichen eine Detektion von Materialanomalien und auch deren Tiefenbestimmung:

a) Zum einen benötigt die Wärme eine kurze Zeitspanne, um zu der tieferliegenden Anomalie vorzudringen, einen Wärmestau zu erzeugen und eine damit einhergehende messbare Oberflächendeformation hervorzurufen. Innerhalb dieses anfänglichen Zeitfensters „onset-time“ während der thermischen Anregung sieht man vornehmlich Effekte, die sich in der Steilheit des Deformationsanstiegs niederschlagen. Ein charakteristisches Merkmal für eine Anomalie ist die größere Steigung des Deformationsverlaufs 56f im Vergleich zu der Steigung des Deformationsverlaufs 56e und des Deformationsverlaufs 56g.
b) Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal zwischen Rauheitssignalen und einer zu detektierenden Anomalie unter der Oberfläche wird im Moment des Abschaltens der thermischen Anregung und danach sichtbar. Hierbei kühlt die Umgebung außerhalb der Anomalie sehr viel schneller ab als der Bereich darüber, was zu einem elastischen Durchbiegen, d.h. zu einer Art Zusatzdeformation direkt über der Anomalie führt. Diese Zusatzdeformation („overshoot“) nach Abschalten der thermischen Anregungsquelle kann vorteilhaft als ein notwendiges Kriterium für eine darunter liegende Anomalie verwendet werden.
c) Aufgrund der gestauten Wärme über der Anomalie und der damit einhergehenden stärkeren Gesamtdeformation findet über der Anomalie auch eine stärkere elastische Relaxation nach Abschalten der thermischen Anregung und nach dem in b) beschriebenen Effekt statt („fall-off“).

Im Folgenden werden unter ergänzender Bezugnahme auf die 5 und 6 Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens erläutert, die mit Hilfe eines oder mehrerer Steuerprogramme auf der Vorrichtung gemäß 1 implementiert werden können. Gemäß Schritt 80 wird ein Datensatz 42 in die Steuerung 38 eingelesen, der das Werkstück 14 in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten 16, 20 definiert. Alternativ oder ergänzend hierzu könnte die Steuerung 38 über die Schnittstelle 40 zunächst einen Datensatz erhalten, der das herzustellende Werkstück „als Ganzes“ definiert, etwa einen CAD Datensatz, und basierend darauf die Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten 16, 20 bestimmen. Auch in diesem Fall erhält die Steuerung 38 letztlich einen Datensatz, der das Werkstück 14 in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten 16, 20 definiert. Gemäß Schritt 82 wird eine Materialschicht aus partikelförmigen Material 22 mit dem Rakel 26 auf dem Schichtstapel 18 erzeugt.
Gemäß Schritt 84 wird die Oberfläche der Materialschicht vorteilhaft (aber nicht zwingend notwendig) mithilfe der Kamera 44 und der Beleuchtungsmodule 50a, 50b inspiziert, um etwaige Anomalien, wie insbesondere Riefen, Löcher, Vertiefungen, Wellen, Materialanhäufungen, Dichtevariationen und/oder Partikelinhomogenitäten (z. B. Verklumpungen) in der Materialschicht zu erkennen. Entspricht die Oberfläche der Materialschicht allen gewünschten Kriterien, verzweigt das Verfahren gemäß Schritt 86 zum Schritt 88, gemäß dem eine oberste Werkstückschicht 20 mithilfe des Schreiblasers 32 erzeugt wird. Der Schreiblaser 32 schmilzt Materialpartikel entlang der definierten Trajektorie 36 selektiv auf und verbindet die auf- oder angeschmolzenen Partikel auf diese Weise miteinander.
Entspricht die Oberfläche der neuen Materialschicht den gewünschten Kriterien nicht oder nicht hinreichend, kann das Verfahren vorteilhaft zum Schritt 82 zurückkehren, um die Oberfläche der Materialschicht nachzuarbeiten oder vollständig neu zu erzeugen. Gemäß Schritt 90 wird eine hergestellte oberste Werkstückschicht 20 mithilfe der Kamera 44 und des Heizwerkzeugs 46 inspiziert, wobei die Inspektion aufgrund des neuen Verfahrens auch Anomalien in der Tiefe des Schichtstapels 18 detektieren kann. Anomalien können sich auch nachträglich bilden, beispielsweise aufgrund von Spannungsrissen oder einer späteren Delaminierung zwischen einzelnen Werkstückschichten 16. Gemäß Schritt 92 werden die Schritte 82 - 90 wiederholt, bis das Werkstück 14 entsprechend dem Datensatz 42 fertiggestellt ist. Ggf. kann dann eine nachfolgende Werkstückschicht modifiziert werden, um etwa eine Form- oder Größenabweichung zu korrigieren. Gemäß Schritt 94 kann eine Freigabe des hergestellten Werkstücks für eine vorgesehene Verwendung anhand der Inspektionsergebnisse aus den wiederholten Schritten 82 und/oder 90 erfolgen.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Inspektion der Werkstückschicht 20 gemäß Schritt 90 aus 4. Im Schritt 96 wird hier ein erstes Bild I₀ der obersten Werkstückschicht 20 aufgenommen, bevor im Schritt 98 eine thermische Anregung erfolgt. Gemäß Schritt 100 wird mit Abschalten (vgl. 2) und/oder mit Beginn der thermischen Anregung (vgl. 4) eine Bildfolge F mit einer Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden (gestaffelten) Bildern IN aufgenommen. Gemäß Schritt 102 wird entschieden, ob eine weitere Bildfolge F+1 aufgenommen werden soll, wobei die thermische Anregung im Schritt 98 dann vorzugsweise mit einer anderen Intensität, einer anderen Dauer und/oder einem anderen Anregungsort und/oder Anregungsmuster erfolgt.
Dabei kann man sich zu Nutze machen, dass die charakteristischen Transientenmerkmale unterschiedlich mit der eingebrachten Heizenergie skalieren, abhängig davon, ob sie von einem anomaliebedingten Wärmestau oder durch Oberflächenrauhheit hervorgerufen werden. Vergleicht man daher die nachfolgend beschriebenen Koeffizientenbilder bei unterschiedlichen Heizeinstellung, so liefert das jeweilige Änderungs- oder Skalierungsverhalten ein zusätzliches Unterscheidungsmerkmal zwischen einem reinen Oberflächeneffekt und einer Anomaliesignatur.
Gemäß dem optionalen Schritt 104 werden die Bilder IN aller Bildfolgen F vorteilhaft normiert. Beispielweise kann der Bildinhalt des ersten Bildes I₀ von jedem Bild IN der Bildfolge F subtrahiert werden, um Bildhintergrund, der nicht von der thermischen Anregung verursacht worden ist, zu eliminieren. Zur Korrektur von Vibrationen, insbesondere im Fall von wenig umliegendem Material oder an Kanten, kann vorteilhaft ein Legendre Fit-Abzug (oder anderer Polynomfitabzug) von nullter Ordnung oder höherer Ordnung auf jedes Bild des Bildstapels angewendet werden. Außerdem kann ein Legendre-Fit-Abzug (oder andere Polynome) vorteilhaft verwendet werden, um den Effekt eines räumlich variierenden Heizprofils auszugleichen und/oder den Anomaliekontrast zu erhöhen. Des Weiteren können örtliche Frequenzfilter oder Legendre Fit-Abzüge vorteilhaft dazu beitragen, um Defekte besser zu unterscheiden, da Defekte ein anderes Deformationsverhalten zeigen als ihre Umgebung. Die Effekte von einem räumlich langsam variierenden Heizprofil lassen sich daher von den lokalen Einflüssen der Defekte selbst unterscheiden.
Gemäß Schritt 106 werden hier dann eine Vielzahl von individuellen Deformationsverläufen D_I (x,y) für eine Vielzahl von Pixeln der Bilderfolgen bestimmt. Gemäß Schritt 108 werden hier unter Verwendung der individuellen Deformationsverläufe D_I (x,y) Koeffizientenbilder K(x,y) bestimmt. In einer Variante können die Steigung während der thermischen Anregung, die Overshoot-Maximalhöhe und/oder deren Zeitpunkt und/oder die fall-off Deformation und/oder etwaige Wendepunkte in den Deformationsverläufen pixelweise als Koeffizienten bestimmt werden. In einer anderen Variante kann die jeweilige zeitliche Änderung des Deformationsverlaufs pixelweise in linearer oder logarithmierter Form durch ein Polynom oder durch eine rationale Funktion mit mehreren Freiheitsgraden, vorteilhaft mit 6 Freiheitsgraden, bestimmt werden. Die Koeffizienten des Polynoms oder der rationalen Funktion bilden dann die Koeffizienten der Koeffizientenbilder K(x,y).
Die gesamte Information des zeitlichen Verlaufs mit den oben genannten Effekten ist dann in wenigen Koeffizientenbildern K(x,y) komprimiert, was im Hinblick auf Speicherbedarf und Datenübertragung vorteilhaft ist. Mittels Hauptkomponentenanalyse gemäß Schritt 110 lassen sich diese Koeffizientenbilder in eine geringere Anzahl von komprimierteren PCA-Koeffizientenbildern überführen. Auf diese komprimierte Form werden hier vorteilhaft Clusteralgorithmen zur Segmentierung gemäß Schritt 112 angewendet. In Kombination mit einer Schwellwertentscheidung lässt sich dann eine Anomaliewahrscheinlichkeit in den jeweils segmentierten Bildbereichen gemäß Schritt 114 bestimmen. Um dabei auch Informationen über die Anomalietiefe zu erlangen, können der Zeitpunkt des ersten Auftretens einer Defektsignatur, also die „onset-time“, oder der Zeitpunkt des maximalen Overshoots bestimmt werden. Beide Signaturen geben eine Information über die relative Tiefenlage von Anomalien. Beispielsweise deutet ein relativ frühes Overshoot-Maximum in einem Zeitraum von bis zu 10ms nach Abschalten der thermischen Anregung auf eine Anomalie hin, während ein Overshoot-Maximum 20ms nach Abschalten der thermischen Anregung oder sogar noch später darauf hindeutet, dass der Deformationsverlauf am Rand einer Werkstückschicht erfasst wurde.
Eine weitere (optionale) Methode zur Unterscheidung von Effekten der Oberflächenrauheit gegenüber den durch Anomalien unter der Oberfläche induzierten Effekten ist die Verrechnung mehrerer, an gleicher Stelle, aber in aufeinanderfolgenden Schichten aufgenommener Messsignale gemäß Schritt 116. Die jeweiligen Schichtoberflächen von verschiedenen Schichten variieren und sind häufig unkorreliert, wohingegen die Anomalien unter der Oberfläche erhalten bleiben und sich lediglich in ihrer Signalstärke aufgrund der zunehmenden Tiefe verringern. Bildet man nun ein gewichtetes Mittel aus N aufeinanderfolgenden Schichtmessungen an gleicher Position, so reduziert sich das Oberflächensignal gegenüber dem Anomalieanteil um einen Faktor ~ (1 / sqrt(N)).
Gemäß Schritt 118 können optional zusätzliche Informationen aus weiteren Messverfahren verwendet werden, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit weiter zu erhöhen, insbesondere die Detektion von Anomalien und die Trennung von Anomalien und Oberflächeneffekten zu verbessern und/oder die Geschwindigkeit des Messverfahrens durch Vorauswahl von Regionen (ROIs) zu erhöhen und/oder die räumliche Lage (insb. Tiefe) besser zu bestimmen und/oder hinsichtlich Größe und/oder Form zu klassifizieren. Es können insbesondere weitere Daten aus anderen Messverfahren in die Analyse einbezogen werden. Zu diesen weiteren Messverfahren für eine multimodale Analyse, die lokal messen oder die gesamte Oberfläche erfassen, gehören Messung der Topographie und Bestimmung von Oberflächendefekten unter Verwendung der Beleuchtungsmodule 50a, 50b sowie eines Verfahrens, wie es in DE 10 2017 108 874 A1 und der prioritätsgleichen US 2020/158499 A1 beschrieben ist, Messung von örtlich aufgelöster Schwingungsverteilung (Vibrometrie), Bestimmung von Oberflächengradienten und Oberflächenform/Topographie mittels Shearographie, Messung von Körperschall (z.B. Puls-Echo-Verfahren mit Ultraschall-Transducern und/oder berührungslos mit EMATs) an der Grundplatte des schichtweise aufzubauenden Werkstücks, insbesondere zur Defektklassifikation, Messung von Eigenschaften des kurzzeitig erzeugten Schmelzbads, z.B. mittlere Temperaturstrahlung aus dem Schmelzbad durch Pyrometer oder ortsaufgelöste Bildgebung des Schmelzbads mittels Kamera im VIS oder IR-Spektrum, Weißlichtinterferometrie (WLI) zur Bestimmung statistischer Größen der Oberfläche (z.B. Rauheit, Power Spectral Density PSD), Messverfahren zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit von Materialkonstanten (z.B. Wärmekapazität, Wärmeausdehnung, Wärmeleitung, elastische Moduln) im prozessrelevanten Bereich (Raumtemperatur bis Schmelztemperatur).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014212246 B3 [0003, 0008]
US 2015/0061170 A1 [0005]
DE 102016115241 A1 [0006]
US 7278315 [0006]
DE 102016110266 A1 [0007]
DE 102016201289 A1 [0009]
De 102017124100 A1 [0010]
US 8449176 B2 [0012]
DE 102017108874 A1 [0013, 0045, 0057, 0072]
US 2020158499 A1 [0013, 0045, 0057, 0072]

Claims

Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14), mit den Schritten: a) Erhalten (80) eines Datensatzes (42), der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (16, 20) definiert, b) Erzeugen der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (16, 20) unter Verwendung eines Schichtbildungswerkzeugs (32), das in Abhängigkeit von dem Datensatz (42) gesteuert wird, wobei die Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (16, 20) einen Schichtstapel (18) bilden, der zu einem definierten Zeitpunkt eine oberste Werkstückschicht (20) und eine Anzahl darunterliegender Werkstückschichten (16) aufweist, c) Thermisches Anregen (98) des Schichtstapels (18) zu dem definierten Zeitpunkt, d) Aufnehmen einer Vielzahl von Bildern (60) der obersten Werkstückschicht (20), und e) Inspizieren des Schichtstapels (18) unter Verwendung der Vielzahl von Bildern, um ein Inspektionsergebnis zu erhalten, das repräsentativ für das Werkstück ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein individueller zeitlicher Deformationsverlauf (56) der obersten Werkstückschicht (20) in Reaktion auf das thermische Anregen (98) unter Verwendung der Vielzahl von Bildern (60) bestimmt wird, wobei der individuelle zeitliche Deformationsverlauf (56) eine Vielzahl von charakteristischen Merkmalen aufweist, die einen individuellen Deformationsanstieg (62), ein individuelles Deformationsmaximum (64) und einen individuellen Deformationsabfall (66) beinhalten, und wobei das Inspektionsergebnis unter Verwendung von mindestens einem der genannten charakteristischen Merkmale aus der Vielzahl von charakteristischen Merkmalen bestimmt wird, vorzugsweise unter Verwendung von mindestens zwei der genannten charakteristischen Merkmale.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bild (60) aus der Vielzahl von Bildern eine Vielzahl von Bildsegmenten besitzt, und dass für jedes Bildsegment aus der Vielzahl von Bildsegmenten ein jeweils individueller zeitlicher Deformationsverlauf (56) in Reaktion auf das thermische Anregen (98) bestimmt wird, wobei das Inspektionsergebnis unter Verwendung der jeweils individuellen zeitlichen Deformationsverläufe (56) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Anregen des Schichtstapels (18) ein thermisches Anregen der obersten Werkstückschicht (20) in einem ersten Schichtbereich (52) beinhaltet, der lokal begrenzt ist, und dass die Vielzahl von Bildern den ersten Schichtbereich (52) und einen weiteren Schichtbereich (54) der obersten Werkstückschicht (20) zeigen, wobei der erste Schichtbereich (52) und der weitere Schichtbereich (54) disjunkt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Bildern zumindest ein erstes Bild der obersten Werkstückschicht (20) beinhalten, das vor dem thermisches Anregen aufgenommen (96) wurde, wobei das Inspektionsergebnis unter Verwendung des zumindest einen ersten Bildes bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Bildern unter Verwendung von zumindest einem Referenzbild normiert (104) wird, bevor der individuelle zeitliche Deformationsverlauf bestimmt wird..
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Bildern mit einer Bildrate von > 1 kHz aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Inspektionsergebnis auf Basis der Vielzahl von Bildern unter Verwendung einer Hauptkomponentenanalyse bestimmt (110) wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (18) wiederholt thermisch angeregt wird, wobei vorzugsweise zumindest ein Anregungsparameter, insbesondere eine Anregungsintensität und/oder eine Anregungsdauer variiert wird, und wobei das Inspektionsergebnis in Abhängigkeit von den wiederholten Anregungen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Inspektionsergebnis unter Verwendung einer Vielzahl von Bildern von einer Vielzahl von jeweils obersten Werkstückschichten (20) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der individuelle zeitliche Deformationsverlauf unter Verwendung von zumindest einem der folgenden Messverfahren bestimmt wird: Speckle-Interferometrie, Digitale Holographie, Shearographie; Laser-Vibrometrie, Fabry-Perot-Interferometrie, Sagnac-Interferometrie, Interferometrie mit nichtlinearer Optik.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Inspektionsergebnis ferner unter Verwendung eines thermischen Transientenverlaufs und/oder unter Verwendung eine Ultraschallanregung und/oder unter Verwendung eines simulierten Deformationsverlaufs und/oder unter Verwendung einer Schmelzbadcharakterisierung und/oder unter Verwendung einer winkelselektiven Beleuchtung der obersten Werkstückschicht bestimmt wird.
Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14), mit - einem Speicher zum Erhalten eines Datensatzes (42), der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (16, 20) definiert, - einer Fertigungsplattform (12), - einem Schichtbildungswerkzeug (32), - einem Heizwerkzeug (46), - einer Kamera (44), die auf die Fertigungsplattform (12) gerichtet ist, und - einer Auswerte- und Steuereinheit (38), die dazu eingerichtet ist, eine Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (16, 20) unter Verwendung des Schichtbildungswerkzeugs (32) und des Datensatzes (42) auf der Fertigungsplattform (12) zu erzeugen, wobei die Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (16, 20) einen Schichtstapel (18) bilden, der zu einem definierten Zeitpunkt eine oberste Werkstückschicht (20) und eine Anzahl darunter liegender Werkstückschichten (16) aufweist, ferner den Schichtstapel (18) zu dem definierten Zeitpunkt unter Verwendung des Heizwerkzeugs (46) thermisch anzuregen und unter Verwendung der Kamera (44) eine Vielzahl von Bildern der obersten Werkstückschicht (20) aufzunehmen, und schließlich den Schichtstapel (18) unter Verwendung der Vielzahl von Bildern zu inspizieren, um ein Inspektionsergebnis zu erhalten, das repräsentativ für das Werkstück (14) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (38) ferner dazu eingerichtet ist, einen individuellen zeitlichen Deformationsverlauf der obersten Werkstückschicht in Reaktion auf das thermische Anregen unter Verwendung der Vielzahl von Bildern zu bestimmen, wobei der individuelle zeitliche Deformationsverlauf eine Vielzahl von charakteristischen Merkmalen aufweist, die einen individuellen Deformationsanstieg, ein individuelles Deformationsmaximum und einen individuellen Deformationsabfall beinhalten, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit (38) das Inspektionsergebnis unter Verwendung von mindestens einem der genannten charakteristischen Merkmale aus der Vielzahl von charakteristischen Merkmalen bestimmt.