DE102020134795A1

DE102020134795A1 - Verfahren und Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102020134795A1
Application number: DE102020134795.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Widulle; Johann Irnstetter; Christian Platt
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2020-12-23
Filing date: 2020-12-23
Publication date: 2022-06-23
Also published as: WO2022136073A1; US20230330941A1; CN116648318A

Abstract

Zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14) werden eine Vielzahl von Werkstückschichten (16, 20) der Reihe nach mit einem Schichtbildungswerkzeugs (32) erzeugt. Zu einem definierten Zeitpunkt wird die oberste Werkstückschicht (20) mit einem ersten räumlich strukturierten Heizmuster (53) thermisch angeregt. Das Heizmuster (53) besitzt eine Vielzahl von räumlich getrennten Bereichen (54a, 54b), in denen die obersten Werkstückschicht (20) gemeinsam erwärmt wird. Nach dem thermischen Anregen werden eine Vielzahl von Messsignalen (60) von der obersten Werkstückschicht (20) aufgenommen. Der Schichtstapel (18) wird unter Verwendung der Messsignale inspiziert, um ein Inspektionsergebnis zu erhalten, das für das Werkstück repräsentativ ist.

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 Messsignalen von der obersten Werkstückschicht nach dem thermischen Anregen, und
e) Inspizieren des Schichtstapels unter Verwendung der Vielzahl von Messsignalen, um ein Inspektionsergebnis zu erhalten, das repräsentativ für das Werkstück ist, wobei oberflächennahe Deformationen des Schichtstapels und/oder Oberflächentemperaturen des Schichtstapels bestimmt werden.

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 Messeinrichtung, 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 Messeinrichtung eine Vielzahl von Messsignalen von der obersten Werkstückschicht aufzunehmen, und schließlich den Schichtstapel unter Verwendung der Vielzahl von Messsignalen 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 2019 112 757 A1 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 sich ausbreitenden Ultraschallenergiewellen werden detektiert und analysiert, um physikalische Eigenschaften der Werkstückschicht zu bestimmen. Weitere Werkstückschichten werden in Reaktion auf die erhaltenen Informationen erzeugt.
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.
DE 10 2017 124 100 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Werkstücken, wobei eine Prüfung mittels Laserultraschall während der Fertigung durchgeführt wird. Zur Analyse wird das Ergebnis der Prüfung mit dem Ergebnis einer Simulation der Prüfung verglichen.
Auch US 7,278,315 und EP 1 815 936 B1 offenbaren jeweils Laserultraschallverfahren zur Detektion von Defekten in einem additiv hergestellten Werkstück. Bei dem Verfahren der EP 1 815 936 B1 wird ein gitterartiges Muster auf der Werkstückoberfläche erhitzt. US 2007/0273952 A1 offenbart ein allgemeines Verfahren zur Analyse von dünnen Oberflächenschichten mit Hilfe von Ultraschall. Dabei können Ultraschallwellen von verteilten Anregungspunkten an einem entfernten Detektionspunkt erfasst werden.
DE 10 2016 110 266 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von Werkstücken, wobei Laserultraschallmessungen, absolut-messende Interferometrie oder Laserpulsthermografie 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.
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, wobei die Wärmestrahlung von der obersten Werkstückschicht thermografisch erfasst und analysiert wird.
DE 10 2016 201 289 A1 offenbart ein 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.
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.
DE 10 2008 030 691 A1 offenbart allgemein eine Vorrichtung zur Materialprüfung mittels Wärmestrahlung, wobei ein zu prüfendes Testobjekt periodisch erwärmt und zu einer Eigenemission von Wärmestrahlen angeregt wird. Es wird ein Phasenbild des Objektes erstellt. Dabei werden zwei oder mehr Messvorgänge bei jeweils unterschiedlichen Anregungsfrequenzen durchgeführt und die erhaltenen Phasenbilder einer differentiellen Bearbeitung unterzogen.
US 8,449,176 B2 offenbart ein weiteres allgemeines Verfahren zum Verarbeiten von thermografischen Daten nach einer thermischen Anregung eines Testobjekts. Es wird eine Varianz bestimmt und mit der Varianz einer Probe mit bekannter Qualität verglichen, um festzustellen, ob die Qualität des Testobjekts akzeptabel ist.
Die eingangs genannte DE 10 2019 112 757 A1 offenbart schließlich ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung von individuellen Eigenschaften des Schichtenstapels. Ein Strukturierungswerkzeug bewegt einen ersten Energiestrahl relativ zu der Fertigungsplattform, um die Werkstückschichten zu erzeugen. Die Messeinrichtung beinhaltet einen Erreger, der den Schichtstapel mit einem zweiten Energiestrahl anregt. Die Steuerung steuert den zweiten Energiestrahl und/oder einen Detektionspfad für die Messung entlang einer Vielzahl von Messtrajektorien, die sich von den Trajektorien des ersten Energiestrahls unterscheiden können.
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 im Prozess Variationen an der Oberfläche entstehen, wie z.B. Balling oder Partikelablagerung. In Summe führen diese Effekte, 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 prozessnah auf effiziente Weise zu überwachen, um auftretende oder sich anbahnende 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 der Schichtstapel zu dem definierten Zeitpunkt mit einem ersten räumlich strukturierten Heizmuster angeregt wird, das die oberste Werkstückschicht an einer ersten Vielzahl von räumlich getrennten Bereichen gemeinsam erwärmt, wobei das Inspektionsergebnis in Abhängigkeit von dem ersten räumlich strukturierten Heizmuster bestimmt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Auswerte- und Steuereinheit ferner dazu eingerichtet ist, den Schichtstapel zu dem definierten Zeitpunkt mit einem ersten räumlich strukturierten Heizmuster anzuregen, das die oberste Werkstückschicht an einer ersten Vielzahl von räumlich getrennten Bereichen gemeinsam erwärmt, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Inspektionsergebnis in Abhängigkeit von dem ersten räumlich strukturierten Heizmuster zu bestimmen.
Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung verwenden somit ein Heizmuster zur thermischen Anregung, das die oberste Werkstückschicht an einer Vielzahl von räumlich voneinander entfernten Anregungsstellen parallel aufheizt. Dementsprechend werden die räumlich getrennten Bereichen mit Hilfe des strukturierten Heizmusters zeitgleich oder zumindest weitgehend zeitgleich bzw. zeitlich überlappend erwärmt, während räumliche Zwischenbereiche zwischen den Anregungsstellen ausgespart bleiben. In den Zwischenbereichen trifft also signifikant weniger Heizenergie von außen auf die oberste Werkstückschicht. Weitgehend zeitgleich bzw. zeitlich überlappend bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die voneinander entfernten Anregungsstellen innerhalb eines so kurzen Zeitintervalls mit Heizenergie von außen beaufschlagt werden, dass sich die räumlich voneinander entfernten Anregungen zeitlich überlappend und somit parallel von der obersten Werkstückschicht in den Schichtstapel hinein ausbreiten können.
Das strukturierte Heizmuster erzeugt also zu dem definierten Zeitpunkt nicht nur eine thermische Anregung an einer ausgewählten Stelle der obersten Werkstückschicht, sondern es erzeugt eine Vielzahl von thermischen Anregungen an räumlich voneinander entfernten Anregungsstellen, die an der obersten Werkstückschicht verteilt sind. Während die Heizenergie an den Anregungsstellen von außen auf den Schichtstapel trifft und sich von jeder Anregungsstelle lateral und normal in den Schichtstapel hinein ausbreitet, dringt die Heizenergie zwischen den Anregungsstellen im Wesentlichen lateral in die Zwischenbereiche ein. Infolgedessen erreicht die Heizenergie die Zwischenbereiche mit einer zeitlichen Verzögerung, die von der räumlichen Entfernung zu den benachbarten Anregungsstellen abhängt.
Je nach Lage einer Anregungsstelle relativ zu einer Defektstelle im Schichtstapel erreicht die Heizenergie die Defektstelle entweder aus einer überwiegend lateralen Richtung oder aus einer überwiegend normalen Richtung bezogen auf die Oberfläche der obersten Werkstückschicht. Wenn eine der zahlreichen Anregungsstellen oberhalb von einer Defektstelle liegt, erreicht die Heizenergie die Defektstelle überwiegend aus der Normalenrichtung. Liegt die Defektstelle hingegen in einem Zwischenbereich zwischen mehreren Anregungsstellen, erreicht die Heizenergie die Defektstelle überwiegend aus lateralen Richtungen. Das strukturierte Heizmuster mit einer Vielzahl von räumlich verteilten Anregungsstellen erzeugt daher unterschiedliche Signalantworten, die von der Lage und Ausdehnung einer Defektstelle abhängen.
Das strukturierte Heizmuster verbessert die laterale Ausdehnung der thermischen Anregung in dem Schichtstapel und erhöht die Informationsdichte der Messsignale. Es ermöglicht daher eine genauere Lokalisierung von Defekten in den oberen Schichten des Schichtstapels sowie eine genauere Bestimmung von Rissen, die sich von der der obersten Werkstückschicht in den Schichtstapel hinein erstrecken können. Jede Defektstelle verzögert die Wärmeleitung und lässt sich daher anhand von oberflächennahen Deformationen des Schichtstapels und/oder anhand einer Transientenanalyse der Oberflächentemperaturen des Schichtstapels vorteilhaft analysieren.
Insgesamt sorgt das strukturierte Heizmuster also dafür, dass sich zu einem definierten Zeitpunkt mehrere thermische Anregungen parallel zueinander von der Oberfläche der obersten Werkstückschicht in den Schichtstapel hinein ausbreiten. Die laterale Diffusion der thermischen Anregung wird im Vergleich zu einer singulären thermischen Anregung verstärkt. Dies ermöglicht eine zuverlässigere und genauere Detektion und bestimmung von Defektstellen in oberflächennahen Bereichen des Schichtstapels. Damit kann die Qualität der Materialschichten bereits im Herstellungsprozess auf effiziente Weise überwacht werden. Auftretende oder sich anbahnende Schichtdefekte können frühzeitig korrigiert werden. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die zu dem definierten Zeitpunkt oberste Werkstückschicht ferner mit einem zweiten räumlich strukturierten Heizmuster thermisch angeregt, wobei das erste räumlich strukturierte Heizmuster und das zweite räumlich strukturierte Heizmuster verschieden voneinander sind, und wobei das Inspektionsergebnis in Abhängigkeit von dem ersten räumlich strukturierten Heizmuster und dem zweiten räumlich strukturierten Heizmuster bestimmt wird.
Mit dieser Ausgestaltung wird die Informationsdichte der Messsignale noch weiter erhöht. Die Ausgestaltung ermöglicht daher eine noch bessere Defekterkennung. Das erste und das zweite strukturierte Heizmuster können sich in einem oder in mehreren Musterparametern unterscheiden. Beispielsweise können die räumliche Verteilung der parallelen Anregungsstellen, die jeweiligen räumlichen Abstände zwischen den Anregungsstellen, die Anzahl der parallelen Anregungsstellen und/oder die jeweilige räumliche Ausdehnung der einzelnen Anregungsstellen verschieden voneinander sein. Ergänzend hierzu können weitere Anregungsparameter, wie etwa eine Anregungsintensität und/oder eine Anregungsdauer variiert werden, um die die Informationsdichte der Messsignale noch weiter zu erhöhen.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das erste räumlich strukturierte Heizmuster invertiert und/oder um eine Achse, die quer zu der Oberfläche der obersten Werkstückschicht liegt, gedreht, um das zweite räumlich strukturierte Heizmuster zu erzeugen.
Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr schnelle Variation des ersten strukturierten Heizmusters auf der obersten Werkstückschicht und damit einen sehr einfachen und schnellen Wechsel von dem ersten strukturierten Heizmuster zu dem zweiten strukturierten Heizmuster. Das zweite strukturierte Heizmuster kann bei einer reinen Verdrehung für sich genommen dasselbe Muster sein, wie das erste strukturierte Heizmuster. Aufgrund der Verdrehung steht das zweite strukturierte Heizmuster jedoch in einer anderen Relation zu der obersten Werkstückschicht und diese andere Relation unterscheidet das zweite strukturierte Heizmuster von dem ersten strukturierten Heizmuster.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das erste räumlich strukturierte Heizmuster eine räumliche Periodizität entlang der obersten Werkstückschicht auf.
In dieser Ausgestaltung besitzt das erste räumlich strukturierte Heizmuster und vorteilhaft auch das zweite räumlich strukturierte Heizmuster eine Periodizität in zumindest einer Richtung, die parallel zu der Oberfläche der obersten Werkstückschicht verläuft. Die Periode, d.h. der Abstand zwischen den jeweiligen Maxima oder zwischen den jeweiligen Minima des Heizmusters in der zumindest einen Richtung definiert die Größe einer jeden Detektionszelle, da sich die Heizenergie von jedem Maximum des Heizmusters lateral in Richtung der jeweiligen Minima des Heizmusters ausbreitet. Bevorzugt korreliert die Zellengröße mit der lateralen Ausdehnung der zu detektierenden Defekte, so dass die Periode in bevorzugten Ausführungsbeispielen in Abhängigkeit von der zu erwartenden Defektgröße gewählt ist. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Periode vom ersten Heizmuster zum zweiten Heizmuster variiert werden, um Defekte mit verschiedenen lateralen Ausdehnungen zuverlässig zu erfassen. Die Ausgestaltung besitzt als weiteren Vorteil, dass eine Variation des ersten Heizmusters sehr einfach und schnell durch laterales Verschieben des Heizmusters in Richtung der Periodizität um einen Bruchteil der Periode erreicht werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das erste räumlich strukturierte Heizmuster eine Matrixstruktur mit einer Vielzahl von beabstandeten Heizstellen auf, die auf der obersten Werkstückschicht verteilt sind.
In dieser Ausgestaltung definiert das räumlich strukturierte Heizmuster eine Vielzahl von Anregungsstellen und Zwischenbereichen, die in zwei orthogonalen Raumrichtungen verteilt sind. Die Anregungsstellen und Zwischenbereichen können sich entlang von Zeilen und Spalten verteilen. In einigen Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung kann das räumlich strukturierte Heizmuster eine Periodizität in zwei zueinander orthogonalen Raumrichtungen besitzen. Beispielsweise kann das strukturierte Heizmuster ein Schachbrettmuster, ein Gittermuster, ein Hexagonalmuster o.ä. sein. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass eine Vielzahl von Detektionszellen mit einer strukturierten Anregung erzeugt wird. Etwaige Defekte in dem Schichtstapel können mit einer hohen Auflösung erkannt und lokalisiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung beinhalten die Messsignale eine Vielzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern von der obersten Werkstückschicht.
In dieser Ausgestaltung werden Bilder von der obersten Werkstückschicht verwendet, um oberflächennahe Deformationen des Schichtstapels und/oder Oberflächentemperaturen des Schichtstapels in Reaktion auf die thermische Anregung zu bestimmen. Vorzugsweise wird ein Bilderstapel mit einer Vielzahl von zeitlich aufeinander folgenden Bildern ab der thermischen Anregung aufgenommen. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Bilderstapel auch Bilder von der obersten Werkstückschicht während der thermischen Anregung und/oder vor der thermischen Anregung beinhalten. Vorzugsweise sind die Bilder des Bilderstapels mit einer Bildaufnahmerate > 1 kHz aufgenommen, so dass die zeitliche Auflösung im Millisekundenbereich oder Sub-Millisekundenbereich liegt. In Kombination mit einer pulsartigen thermischen Anregung mit Heizpulsen mit einer Pulsdauer zwischen 0,5ms bis 50ms liefert diese Ausgestaltung sehr gute Detektionsergebnisse. Generell besitzt die Ausgestaltung den Vorteil, dass eine hohe Informationsdichte sehr schnell erfasst und ausgewertet werden kann. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Messeinrichtung eine Infrarotkamera beinhalten, die vorteilhaft eine Temperaturverteilung an der Oberfläche der obersten Werkstückschicht aufnehmen kann. Alternativ oder ergänzend können transiente Deformationen an der Oberfläche der obersten Werkstückschicht zweidimensional anhand der Bilder bestimmt werden.
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 das erste räumlich strukturierte Heizmuster zeitlich variiert.
In dieser Ausgestaltung werden Anregungsparameter, wir Anregungsintensität (Heizleistung) und/oder Anregungsdauer (Pulslänge eines Heizpulses) variiert, um eine noch höhere Informationsdichte von der obersten Werkstückschicht zu erhalten. In einigen Ausführungsbeispielen können mehrere Bilderstapel von der obersten Werkstückschicht nach einer thermischen Anregung mit dem ersten Heizmuster aufgenommen werden, wobei die Anregungsparameter von einem Bilderstapel zum anderen variiert werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die thermische Anregung eine zeitliche Amplitudenmodulation beinhalten, die vorteilhaft nach dem Verfahren der Lock-In Thermografie ausgewertet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das erste räumlich strukturierte Heizmuster mit Hilfe eines Heizlasers und eines optischen Elements erzeugt, das im Strahlengang des Heizlasers angeordnet ist. Vorteilhaft kann das optische Element ein diffraktives optisches Element und/oder ein computergeneriertes Hologramm beinhalten.
In dieser Ausgestaltung kann das strukturierte Heizmuster sehr effizient mit einem Heizlaser erzeugt werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann ein Laser, der als Strukturierungswerkzeug zum Erzeugen einer Werkstückschicht dient, in einem nachfolgenden Schritt als Heizlaser verwendet werden, wobei das strukturierte Heizmuster mit Hilfe des optischen Elements erzeugt, das wahlweise in den Strahlengang des Lasers eingeführt wird. Eine solche Realisierung ist sehr kostengünstig und kompakt möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das erste räumlich strukturierte Heizmuster mit Hilfe einer Vielzahl von räumlich verteilten Heizspulen erzeugt. Insbesondere bei metallischen Werkstoffen kann die oberste Werkstückschicht sehr kostengünstig und effizient mit einer Vielzahl von Heizspulen induktiv thermisch angeregt werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann eine Matrix von beabstandeten Heizspulen relativ zu der obersten Werkstückschicht bewegt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das erste räumlich strukturierte Heizmuster mit Hilfe eines scannenden Elektronenstrahls erzeugt.
Ein Elektronenstrahl kann mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern sehr schnell bewegt werden und daher vorteilhaft verwendet werden, um eine Vielzahl von Anregungsstellen an der obersten Werkstückschicht innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls mit Heizenergie zu beleuchten. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn auch die Herstellung der obersten Werkstückschicht mit dem Elektronenstrahl erfolgt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird in Reaktion auf das thermische Anregen ein individueller zeitlicher Deformationsverlauf und/oder ein individueller zeitlicher Temperaturverlauf der obersten Werkstückschicht bestimmt. Vorteilhaft weist der individuelle zeitliche Deformationsverlauf eine Vielzahl von charakteristischen Merkmalen auf, die einen individuellen Deformationsanstieg, ein individuelles Deformationsmaximum und einen individuellen Deformationsabfall beinhalten, 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.
Das Verfahren und die Vorrichtung dieser Ausgestaltung betrachten vor allem das zeitliche Verhalten des Schichtstapels in Reaktion auf die thermische Anregung. Analysiert wird nicht allein, ob oder wie stark eine Deformation und/oder Temperaturerhöhung des Schichtstapels an der obersten Werkstückschicht sichtbar wird. Vielmehr wird darüber hinaus der zeitliche Verlauf der Deformationen und/oder Temperaturerhöhung über ein definiertes Zeitintervall mit Beginn und/oder im Anschluss an die thermische Anregung analysiert. Wie sich gezeigt hat, lassen sich oberflächennahe Defekte in dem Schichtstapel damit sehr zuverlässig detektieren, auch wenn die Schichtoberfläche eine Rauigkeit und/oder Schreibstrukturen aufweist.
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.
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,
4a, 4b ein beispielhaftes strukturiertes Heizmuster und seine Invertierung,
5 ein weiteres strukturiertes Heizmuster mit verschiedenen Mustervariationen,
6 eine beispielhafte matrixförmige Anordnung von Heizspulen zur Erzeugung eines strukturierten Heizmusters,
7 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens, und
8 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 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 mehreren ASICs, FPGAs, Mikrocontrollern, Mikroprozessoren oder vergleichbaren Logikschaltkreisen realisiert sein.
Die Vorrichtung 10 besitzt ferner eine Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Werkstückschichten 16, 20 zu inspizieren. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann die Messeinrichtung ferner dazu eingerichtet sein, 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 Messeinrichtung beinhaltet hier eine Kamera 44 und ein Heizwerkzeug 46, die jeweils mit der Steuerung 38 (oder mit einer separaten Steuerung für die Messeinrichtung, hier nicht dargestellt) verbunden sind. Die Kamera 44 ist dazu eingerichtet, eine Vielzahl von Bildern von der jeweils obersten Werkstückschicht 20 des Schichtstapels 18 aufzunehmen. Das Heizwerkzeug 46 ist dazu eingerichtet, den Schichtstapel 18 zu einem definierten Zeitpunkt thermisch anzuregen. In einigen Ausführungsbeispielen erzeugt 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 der Anregungsstelle an der Oberfläche des Schichtstapels 18. Aufgrund des Temperaturgradienten breitet sich die Wärme von der Anregungsstelle lateral und normal zu der Schichtoberfläche in das Volumen des Schichtstapels aus. Dabei dehnt sich das Material aus. Die Dehnung führt zu lokalen Deformationen im Schichtstapel und an dessen Oberfläche. Der räumliche und zeitliche Verlauf der lokalen Deformationen kann mit der Messeinrichtung erfasst werden. Vorteilhaft kann die Messeinrichtung 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 Messeinrichtung Shearographie, Laser-Vibrometrie, Fabry-Perot-Interferometrie, Sagnac-Interferometrie und/oder Interferometrie mit einer nichtlinearen Optik implementieren. Alternativ oder ergänzend kann die Kamera 44 eine Infrarotkamera beinhalten, mit der ein räumlicher und zeitlicher Verlauf der Oberflächentemperatur des Schichtstapels 18 in Reaktion auf die thermische Anregung in einer Bilderfolge erfasst werden kann.
Die Deformationen und Temperaturverteilungen 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 Messeinrichtung mit der Kamera 44 und dem Heizwerkzeug 46 ist dazu eingerichtet, die lokalen Deformationen und/oder die Temperaturverteilung im Schichtstapel in Reaktion auf die thermische Anregung sowohl zeitlich als auch räumlich aufgelöst zu erfassen. Vorteilhaft ist die Auswerte- und Steuereinheit 38 in diesem Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, die Transienten des Deformations- und/oder Temperaturverlaufs zu analysieren. Wird hierbei ein lokal variierendes Verhalten erkannt, lassen sich daraus Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften ziehen und 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. Ebenso bei einem Riss im Schichtstapel. 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 Messeinrichtung 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 18 aus mehreren unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten. In Kombination mit der Kamera 44 kann die Beleuchtungsanordnung vorteilhaft verwendet werden, um die Oberfläche des Schichtstapels 18 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.
Die Messeinrichtung beinhaltet hier ferner ein optisches Element 52, das im Strahlengang des Heizlaserstrahls 48 angeordnet ist. In einigen Ausführungsbeispielen kann das optische Element 52 wahlweise in den Strahlengang des Heizlaserstrahls 48 eingebracht werden. In weiteren Ausführungsbeispielen kann ein optisches Element 52 wahlweise in den Strahlengang des Schreiblasers 34 eingebracht werden, um den Schreiblaserstrahl 34 alternativ oder ergänzend als Heizlaserstrahl 48 zu verwenden. Das optische Element 52 erzeugt hier ein räumlich strukturiertes Heizmuster 53, das die oberste Werkstückschicht 20 an einer ersten Vielzahl von räumlich getrennten Bereichen 54a, 54b gemeinsam erwärmt. Zwischen den räumlich getrennten Bereichen 54a, 54b verbleiben Zwischenbereiche 55, an denen die oberste Werkstückschicht 20 nicht oder zumindest signifikant weniger erwärmt wird als an den räumlich entfernten Anregungsstellen 54a, 54b.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das optische Element 52 ein diffraktives optisches Element (DOE) sein, das dem Heizlaserstrahl 48 das Heizmuster 53 aufprägt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das optische Element 52 ein computergeneriertes Hologramm beinhalten. In weiteren Ausführungsbeispielen (hier nicht dargestellt) kann das Heizmuster 53 mit Hilfe eines Elektronenstrahls erzeugt werden, der mit Hilfe von elektromagnetischen Feldern sehr schnell bewegt werden kann, um eine Vielzahl von räumlich entfernten Anregungsstellen 54a, 54b innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls mit Heizenergie zu beleuchten. Alternativ oder ergänzend kann die oberste Werkstückschicht 20 in weiteren Ausführungsbeispielen mit einer Vielzahl von räumlich verteilten Heizspulen induktiv erwärmt werden, wobei die räumlich verteilten Heizspulen ein Heizmuster 53 mit einer Vielzahl von räumlich getrennten Anregungsstellen 54a, 54b erzeugen (vgl. 6).
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 einigen 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 ist in 2 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 Defektstelle, weil sich die Wärme über dem Hohlraum zunächst staut. Die Deformationsverläufe 56c und 56d sind beispielhaft für Werkstückbereiche ohne verborgene Anomalien, 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.
Dementsprechend deuten mehrere charakteristische Merkmale eines zeitlichen Deformationsverlaufs auf eine Defektstelle 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“).

4a zeigt ein beispielhaftes erstes strukturiertes Heizmuster 53 in Form eines Schachbrettmusters. 4b zeigt ein beispielhaftes zweites strukturiertes Heizmuster 53', das durch Invertieren des ersten Heizmusters 53 erhalten werden kann. Vorzugsweise entspricht die Ausdehnung der Zwischenbereiche 55 (hier als dunkle Felder dargestellt) zwischen den Anregungsstellen 54a, 54b (hier mit weißen Feldern dargestellt) der zu detektierenden Defektgröße. Dementsprechend kann die Größe der Zwischenbereiche 55 zwischen den Anregungsstellen 54a, 54b in einigen Ausführungsbeispielen zeitlich aufeinanderfolgend variiert werden, um für verschiedene Defektgrößen ein jeweils optimales Heizmuster 53, 53` zu erhalten. Beispielsweise kann eine thermische Anregung mit einer Heizleistung von > 100W pro Anregungsstelle erfolgen, wobei die Anregungsstellen jeweils einen Durchmesser zwischen 1mm und 100mm besitzen und wobei die Anregung mit einem Heizpuls mit einer Impulsdauer zwischen 0,5ms bis 50ms erfolgt. Diese Parameter können auch unabhängig von dem hier dargestellten schachbrettartigen Heizmuster im Zusammenhang mit anderen Heizmustern verwendet werden.
Die Invertierung des Heizmuster 53 kann in einigen Ausführungsbeispielen durch Verschieben des optischen Elements 52 erfolgen. Alternativ oder ergänzend kann das optische Element 52 um eine Achse senkrecht zur obersten Werkstückschicht (hier nicht dargestellt) gedreht werden, wie dies in 5 anhand von Streifenmustern dargestellt ist. Die Periode P der Streifenmuster entspricht auch hier vorzugsweise den zu erwartenden oder zu detektierenden Defektgrößen und kann vorteilhaft im Bereich zwischen 1mm und 100mm liegen.
6 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Matrixanordnung von Heizspulen 72, mit denen die oberste Werkstückschicht 20 in einigen Ausführungsbeispielen induktiv erwärmt werden kann.
Im Folgenden werden unter ergänzender Bezugnahme auf die 7 und 8 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.
8 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 I_N 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 einem anderen (zweiten) Heizmuster und/oder einer anderen Intensität, einer anderen Dauer und/oder einem anderen Anregungsort 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 Oberflächenrauheit 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 I_N aller Bildfolgen F vorteilhaft normiert. Beispielweise kann der Bildinhalt des ersten Bildes I₀ von jedem Bild I_N 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 102019112757 A1 [0003, 0016]
US 2015/0061170 A1 [0005]
DE 102016115241 A1 [0006]
DE 102017108874 A1 [0007, 0066, 0084]
US 2020158499 A1 [0007, 0066, 0084]
DE 102017124100 A1 [0008]
US 7278315 [0009]
EP 1815936 B1 [0009]
US 2007/0273952 A1 [0009]
DE 102016110266 A1 [0010]
DE 102014212246 B3 [0011]
DE 102016201289 A1 [0012]
DE 102008030691 A1 [0014]
US 8449176 B2 [0015]

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 Messsignalen (60) von der obersten Werkstückschicht (20) nach dem thermischen Anregen, und e) Inspizieren des Schichtstapels (18) unter Verwendung der Vielzahl von Messsignalen, um ein Inspektionsergebnis zu erhalten, das für das Werkstück repräsentativ ist, wobei oberflächennahe Deformationen des Schichtstapels (18) und/oder Oberflächentemperaturen des Schichtstapels (18) bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel (18) zu dem definierten Zeitpunkt mit einem ersten räumlich strukturierten Heizmuster (53) angeregt wird, das die oberste Werkstückschicht (20) an einer ersten Vielzahl von räumlich getrennten Bereichen (54a, 54b) gemeinsam erwärmt, wobei das Inspektionsergebnis in Abhängigkeit von dem ersten räumlich strukturierten Heizmuster (53) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zu dem definierten Zeitpunkt oberste Werkstückschicht (20) ferner mit einem zweiten räumlich strukturierten Heizmuster (53') thermisch angeregt wird, wobei das erste räumlich strukturierte Heizmuster (53) und das zweite räumlich strukturierte Heizmuster (53') verschieden voneinander sind, und wobei das Inspektionsergebnis in Abhängigkeit von dem ersten räumlich strukturierten Heizmuster (53) und dem zweiten räumlich strukturierten Heizmuster (53') bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste räumlich strukturierte Heizmuster (53) gedreht und/oder invertiert wird, um das zweite räumlich strukturierte Heizmuster (53') zu erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste räumlich strukturierte Heizmuster (53) eine räumliche Periodizität (P) entlang der obersten Werkstückschicht (20) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste räumlich strukturierte Heizmuster (53) eine Matrixstruktur mit einer Vielzahl von beabstandeten Heizstellen (54a, 54b) aufweist, die auf der obersten Werkstückschicht (20) verteilt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsignale eine Vielzahl von zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern (60) von der obersten Werkstückschicht (20) beinhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste räumlich strukturierte Heizmuster (53) zeitlich variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste räumlich strukturierte Heizmuster (53) mit Hilfe eines Heizlasers (46) und eines optischen Elements (52) erzeugt wird, das im Strahlengang (48) des Heizlasers (46) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste räumlich strukturierte Heizmuster (53) mit Hilfe einer Vielzahl von räumlich verteilten Heizspulen (72) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste räumlich strukturierte Heizmuster (53) mit Hilfe eines scannenden Elektronenstrahls erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Reaktion auf das thermische Anregen (98) ein individueller zeitlicher Deformationsverlauf (56a) und/oder ein individueller zeitlicher Temperaturverlauf der obersten Werkstückschicht (20) 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 Messeinrichtung (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 Messeinrichtung (44) eine Vielzahl von Messsignalen von der obersten Werkstückschicht (20) aufzunehmen, und schließlich den Schichtstapel (18) unter Verwendung der Vielzahl von Messsignalen zu inspizieren, um ein Inspektionsergebnis zu erhalten, das repräsentativ für das Werkstück (14) ist, wobei oberflächennahe Deformationen des Schichtstapels (18) und/oder Oberflächentemperaturen des Schichtstapels (18) bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte- und Steuereinheit (38) den Schichtstapel (18) zu dem definierten Zeitpunkt mit einem ersten räumlich strukturierten Heizmuster (53) angeregt, das die oberste Werkstückschicht (20) an einer ersten Vielzahl von räumlich getrennten Bereichen (54a, 54b) gemeinsam erwärmt, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (38) dazu eingerichtet ist, das Inspektionsergebnis in Abhängigkeit von dem ersten räumlich strukturierten Heizmuster (53) zu bestimmen.