DE102020212858A1

DE102020212858A1 - System zur Überwachung eines Schichtbauverfahrens

Info

Publication number: DE102020212858A1
Application number: DE102020212858.8A
Authority: DE
Inventors: Julia Schmidt-Petersen
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2021-06-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Prüfsystem (10) zur Überwachung, insbesondere zur kontinuierlichen Überwachung, der additiven Herstellung eines Bauteils (18), umfassend zumindest zwei Kameras (12) mit jeweils zumindest einem optischen Filter (16) und zumindest zwei Beleuchtungselementen (14), die monochromatisches Licht mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge emittieren. Die Erfindung betrifft weiterhin ein zur Überwachung, insbesondere zur kontinuierlichen Überwachung, einer additiven Herstellung zumindest eines Bauteils (18). Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Schichtbauvorrichtung (30) und ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Speichermedium mit einem Programmcode.

Description

Die Erfindung betrifft ein Prüfsystem und ein Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur kontinuierlichen Überwachung, der additiven Herstellung zumindest eines Bauteils sowie eine Schichtbauvorrichtung und ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Speichermedium mit einem Programmcode.
Additive Schichtbauverfahren bezeichnen Prozesse, bei denen anhand eines virtuellen Modells eines herzustellenden Bauteils oder Bauteilbereichs Geometriedaten ermittelt werden, welche in Schichtdaten zerlegt werden (sog. „slicen“). Abhängig von der Geometrie des Modells wird eine Belichtungs- bzw. Bestrahlungsstrategie bestimmt, gemäß welcher die selektive Verfestigung eines Werkstoffs erfolgen soll. Beim Schichtbauverfahren wird dann der gewünschte Werkstoff schichtweise abgelagert und selektiv mittels eines Energiestrahls abgetastet und verfestigt, um das Bauteil schichtweise additiv aufzubauen. Verschiedene Bestrahlungsparameter wie beispielsweise die Energiestrahlleistung und die Belichtungsgeschwindigkeit eines zum Verfestigen zu verwendenden Energiestrahls sind für die entstehende Gefügestruktur von Bedeutung. Zu-sätzlich ist auch die Anordnung von sogenannten Scanlinien von Bedeutung. Die Scanlinien, welche auch als Einzelspuren, Schmelzspuren oder Belichtungsvektoren bezeichnet werden können, definieren die Strecken, entlang welchen der wenigstens eine Energiestrahl den Werkstoff abtastet und aufschmilzt und können generell linear oder nicht-linear verlaufen. Damit unter-scheiden sich additive bzw. generative Herstellungsverfahren von konventionellen abtragenden oder urformenden Fertigungsmethoden. Beispiele für additive Herstellungsverfahren sind gene-rative Lasersinter- bzw. Laserschmelzverfahren, die beispielsweise zur Herstellung von Bauteilen für Strömungsmaschinen wie Flugtriebwerke verwendet werden können. Beim selektiven Laser-schmelzen werden dünne Pulverschichten des Werkstoffs oder der verwendeten Werkstoffe auf eine Bauplattform aufgebracht und mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen lokal im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgeschmolzen und verfestigt. Anschließend wird die Bauplatt-form abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut lokal verfestigt. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das fertige Bauteil bzw. der fertige Bauteilbereich erhalten wird. Das Bauteil kann anschließend bei Bedarf weiterbearbeitet oder ohne weitere Bearbeitungsschrit-te verwendet werden. Beim selektiven Lasersintern wird das Bauteil in ähnlicher Weise durch la-serunterstütztes Sintern von pulverförmigen Werkstoffen hergestellt. Die Zufuhr der Energie er-folgt hierbei beispielsweise durch Laserstrahlen eines CO₂-Lasers, Nd:YAG-Lasers, Yb-Faserlasers, Diodenlasers oder dergleichen. Ebenfalls bekannt sind Elektronenstrahlverfahren, bei welchen der Werkstoff durch einen oder mehrere Elektronenstrahlen selektiv abgetastet und verfestigt wird.
Die US 2019/0381736 A1 beschreibt ein System zur Überwachung der additiven Fertigung eines Objekts, umfassend eine Fertigungseinheit, die zur additiven Fertigung des Objekts auf der Basis von metallhaltigen Fertigungsmaterial ausgelegt ist.
Ein zentraler Bestandteil von additiven Schichtbauverfahren ist die visuelle Überwachung für Bauräume, das so genannte Powder Bed Monitoring. Das Pulverbett wird dabei mittels einer oder mehreren Kameras innerhalb des Fertigungsraums überwacht, was eine schichtweise Analyse der Qualitätsparameter zwischen den einzelnen Prozessschritten ermöglicht. In Kombination mit automatisierter Bildverarbeitung kann eine automatische Auswertung der Bilder nach vorgegebenen Kriterien erfolgen. Mit der Verwendung mehrerer Kameras ist es möglich, zwischen den Prozessschritten ein dreidimensionales Modell des Bauteils zu generieren. Allerdings werden die Bilder von den einzelnen Kameras nacheinander aufgenommen, sodass zwischen den Aufnahmen eine Zeitverzögerung entsteht, was die Anzahl der Bilder zwischen den Prozessschritten begrenzt. Entstehen Ungenauigkeiten, beispielsweise in Form eines diskreten Fehlers, wenn sich das Bauteil von der Bauplattform löst, so können zwei Bilder vor und zwei Bilder nach dem Ereignis aufgenommen werden, was zu unbrauchbaren Darstellungen und falschen Ergebnissen in der automatisierten Bildverarbeitung führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein visuelles Überwachungssystem für Pulverbetten und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, bei dem die Zeitverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildern vermieden wird. Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, eine Schichtbauvorrichtung mit visueller Überwachung des Pulverbetts bereitzustellen, bei dem ebenfalls eine Zeitverschiebung zwischen den aufgenommenen Bildern vermieden wird. Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, ein Speichermedium mit einem Programmcode anzugeben, welches eine entsprechende Auswertung der so aufgenommenen Bilder und die Steuerung einer solchen Schichtbauvorrichtung ermöglicht.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Prüfsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren zur Überwachung einer additiven Herstellung zumindest eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7, durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12, ein Schichtbauverfahren gemäß dem Anspruch 13 sowie durch ein Speichermedium mit einem Programmcode gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Prüfsystem zur Überwachung, insbesondere zur kontinuierlichen Überwachung, einer additiven Herstellung zumindest eines Bauteils, umfassend zumindest zwei Kameras und zumindest zwei Beleuchtungselemente, wobei die Beleuchtungselemente monochromatisches Licht mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, und die Kameras jeweils zumindest einen optischen Filter umfassen, der für jeweils eine von den Beleuchtungselementen emittierten Wellenlängen durchlässig ist. Bevorzugt weisen die zumindest zwei Kameras zumindest zwei Filter auf, die jeweils für monochromatisches Licht in jeweils unterschiedlicher Wellenlänge durchlässig sind. Die Beleuchtungselemente emittieren monochromatisches Licht in jeweils unterschiedlicher Wellenlänge. Die Beleuchtung mit unterschiedlichem monochromatischem Licht und der Einsatz von entsprechenden Kameras mit jeweils passenden optischen Filtern ermöglicht eine kontinuierliche Beleuchtung und Überwachung des Pulverbetts beziehungsweise des herzustellenden Bauteils und die zeitgleiche Aufnahme unterschiedlicher monochromatischer Bilder beziehungsweise Bildersets ohne den üblichen, bei bekannten Überwachungsvorrichtungen auftretenden Zeitversatz. Zur Auswertung und Überwachung werden die zeitgleich aufgenommenen monochromatischen Aufnahmen verwendet, so dass die optische Überwachung ohne einen Zeitversatz zwischen mehreren hintereinander aufgenommenen und einzeln zu analysierenden Bildern erfolgen kann. Es ist auch möglich, nicht nur einzelne Bildersets hintereinander aufzunehmen und auszuwerten, sondern einen Teil oder die komplette Prozessüberwachung als Film darzustellen. Auf diese Weise können Daten über Abweichungen einzelner Parameter während der Fertigungsprozesse des Bauteils in Echtzeit identifiziert und analysiert werden. Die diskreten Ereignisse beziehungsweise Fehler, welche zum Beispiel während des Beschichtens oder nach, vor oder auch während der Belichtungsphase auftreten werden vorteilhafterweise in Echtzeit erkannt und können direkt bewertet werden. Bei dem zu überwachenden Herstellungsverfahren handelt es sich beispielsweise um ein Elektronenstrahlschmelzen, ein selektives Lasersintern oder ein selektives Laserschmelzen. Bevorzugt handelt es sich um ein selektives Laserschmelzen. Bei dem herzustellenden Bauteil kann es sich um ein Bauteil für ein Flugtriebwerk handeln. Dieses Bauteil besteht aus einer Vielzahl von Bauteilschichten, die durch selektives Verfestigen eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs hergestellt werden. Der Bauteilwerkstoff kann beispielsweise aus der Gruppe der schwer schweißbaren Metalle, Metallverbindungen und intermetallischen Verbindungen ausgewählt sein. Hierdurch können thermisch hochbelastbare Bauteile mit hoher Maßhaltigkeit hergestellt und vielseitig, beispielsweise zum Triebwerksbau eingesetzt werden. Der Bauteilwerkstoff kann beispielsweise aus der Gruppe Eisen, Titan, Nickel, Chrom, Cobalt, Kupfer, Aluminium, Stahl, Aluminiumlegierung, Titanlegierung, Kobaltlegierung, Chromlegierung, Nickelbasislegierung, Kupferlegierungen, Mg₂Si und Titanaluminide ausgewählt werden. Bei den zu überwachenden Parametern während der Herstellung des Bauteils handelt es sich beispielsweise um die Form des Bauteils und/oder die vor, während und/oder nach dem selektiven Verfestigen gemessenen Temperaturen am Bauteil oder der entsprechenden Bauteilschicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anzahl der Kameras der Anzahl der Beleuchtungselemente entspricht. Der Filter jeder Kamera ist durchlässig für die emittierte Wellenlänge einer Beleuchtungsquelle, wobei die Beleuchtungsquellen jeweils Licht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren. Auf diese Weise kann jeder Kamera mit einem optischen Filter eine bestimmte monochromatische Lichtquelle zugeordnet werden, wodurch die Ausleuchtung des Bauteils und des Pulverbetts für die jeweilige Kameraposition optimierbar ist. Es ist aber auch möglich dass einzelne Kameras mehrere optische Filter aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beleuchtungselemente das Bauteil aus unterschiedlichen Positionen beleuchten. Bevorzugt wird das Pulverbett für jede Kamera aus einem anderen niedrigen Winkel ausgeleuchtet. Durch die Ausleuchtung des Pulverbetts aus mehreren unterschiedlichen Winkeln werden Schatten oder Flächen mit Helligkeitsgradienten, die optische Messungen beeinträchtigen oder Verfälschen können, deutlich reduziert oder gänzlich vermieden.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Prüfsystem zumindest vier Kameras und zumindest vier Beleuchtungselemente aufweist. Durch die Verwendung von vier Kameras und vier Beleuchtungselementen ist es möglich, das Pulverbett und auch das Bauteil sehr gut auszuleuchten und zu überwachen. Bevorzugt emittieren die vier Beleuchtungsquellen monochromatisches Licht mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge. Die vier Kameras weisen bevorzugt jeweils zumindest einen Filter auf, der jeweils einer der vier Beleuchtungsquellen zugeordnet ist und für jeweils eine Wellenlänge des von den Beleuchtungsquellen emittierten Lichts durchlässig ist.
Die Aufnahme von Bildern aus vier unterschiedlichen Perspektiven ermöglicht eine deutlich umfassendere und damit verbesserte Überwachung des Bauteils. Darüber hinaus ermöglicht die Aufnahme des Pulverbetts aus vier Perspektiven eine gute dreidimensionale Darstellung des Bauteils.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Prüfsystem weiterhin eine Verarbeitungseinrichtung umfasst, mit der die mit den Kameras aufgenommenen Bilder des, von den Beleuchtungselementen beleuchteten, zumindest einen Bauteils, auswertbar sind. Die Auswertung der Bildaufnahmen ermöglicht eine detaillierte Analyse einzelner Verfahrens- und Bauteilparameter.
Vorzugsweise erfolgt die Auswertung der aufgenommenen Bilder mittels Triangulierung, wobei das Bauteil dreidimensional darstellbar ist. Die dreidimensionale Darstellung des Bauteils erleichtert die Analyse der Bauteilparameter, insbesondere die Formanpassung des Bauteils kann nun effizient ermittelt werden. So können mittels Echtzeitdatenübertragung strukturelle Abweichungen am Bauteil während des Herstellungsprozesses schneller identifiziert und analysiert werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur kontinuierlichen Überwachung, der additiven Herstellung zumindest eines Bauteils, umfassend zumindest die Schritte: (a) Beleuchten des Bauteils während der additiven Herstellung mit monochromatischem Licht zumindest zweier unterschiedlicher Wellenlängen, (b) Zeitgleiches Aufnehmen von zumindest zwei unterschiedlichen monochromatischen Aufnahmen des Bauteils und (c) Vergleich der in Schritt (b) aus den monochromatischen Aufnahmen ermittelten IST-Werte des Bauteils mit vorbestimmten SOLL-Werten oder SOLL-Wertebereichen. Erfindungsgemäß werden zur Auswertung und Überwachung die zeitgleich aufgenommenen monochromatischen Aufnahmen des Bauteils (Bilderset) verwendet, so dass die optische Überwachung ohne einen Zeitversatz zwischen mehreren hintereinander aufgenommenen und einzeln zu analysierenden Bildern erfolgen kann. Es ist auch möglich, die Schritte (a) bis (c) kontinuierlich während eines vorbestimmten Zeitbereichs oder während des gesamten Prozesses der additiven Herstellung des Bauteils durchzuführen. Es werden also nicht nur einzelne Bildersets bestehend aus mindestens zwei zeitglich aufgenommenen monochromatischen Aufnahmen, hintereinander aufgenommen und ausgewertet, sondern ein Teil oder die komplette Prozessüberwachung wird als Film aus einer Vielzahl von Bildersets aufgenommen. Auf diese Weise können Daten über Abweichungen einzelner Parameter, wie zum Beispiel die Form des herzustellenden Bauteils, während der Fertigungsprozesse des Bauteils in Echtzeit identifiziert und analysiert werden. Die diskreten Ereignisse beziehungsweise Fehler, welche zum Beispiel während des Beschichtens oder nach beziehungsweise vor, oder auch während der Belichtungsphase auftreten, werden vorteilhafterweise in Echtzeit erkannt und können direkt bewertet werden. Unter aus den monochromatischen Aufnahmen ermittelten IST-Werten des Bauteils sind beispielsweise die auftretenden spezifischen Farbwerte und/oder Farbtemperaturen zu verstehen, die aber auch zur Auswertung in entsprechende Graustufenbilder umgewandelt werden können. Entsprechendes gilt für die vorgegebenen SOLL-Werte oder SOLL-Wertebereiche.
Bevorzugt wird das Bauteil aus unterschiedlichen Winkeln beleuchtet. Die Aufnahme des Bauteils aus unterschiedlichen Winkeln ermöglicht dessen verbesserte dreidimensionale Darstellbarkeit.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt in Schritt c) ein Vergleichen der mittels Triangulierung der aufgenommenen zeitgleichen monochromatischen Bilder erzeugten dreidimensionalen IST-Form des Bauteils mit dem einer vorgegebenen dreidimensionalen SOLL-Form des Bauteils.
Abweichungen der dreidimensionalen Form des Bauteils von dessen vorgegebener dreidimensionaler Form, können so auch während der Belichtungsphase, d.h. der selektiven Verfestigungsphase der Bauteilschichten, in Echtzeit erkannt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Verfahren den weiteren Schritt umfasst: Stoppen der Herstellung des zumindest einen Bauteils erfolgt, falls zumindest ein ermittelter IST-Wert des Bauteils nicht mit dem entsprechenden vordefinierten SOLL-Wert oder SOLL-Wertebereich übereinstimmt oder davon abweicht. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das Bauteil erst nach der Fertigung aussortiert wird, falls zumindest ein ermittelter IST-Wert des Bauteils nicht mit dem entsprechenden vordefinierten SOLL-Wert oder SOLL-Wertebereich übereinstimmt oder davon abweicht.
Ein diskretes Ereignis beziehungsweise ein Fehler, insbesondere in der Form des Bauteils, wird durch das Überwachungsverfahren sehr schnell erkannt, da kein Zeitversatz zwischen den Bildern entsteht. Durch das Stoppen der Bauteilfertigung können Zeit und Material gespart werden, gegenüber dem Fall, dass das diskrete Ereignis beziehungsweise der Fehler in einem Zeitversatz zwischen den Bildern entstand und erst nach Fertigstellung des Bauteils erkannt würde.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils, umfassend die Überwachung der additiven Herstellung des Bauteils mit dem erfindungsgemäßen Prüfsystem mittels des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens gemäß dem ersten und zweiten Erfindungsaspekt.
Bevorzugt umfasst das Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils zumindest folgende Schritte:

a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform;
b) lokales Verfestigen des Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht des Bauteils, indem der Werkstoff gemäß eines vorbestimmten Datensatzes mit wenigstens einem Energiestrahl entlang von Scanlinien selektiv abgetastet und aufgeschmolzen wird;
c) Schichtweises Absenken der Bauplattform um eine vordefinierte Schichtdicke; und
d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis zur Fertigstellung des Bauteils,

Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend zumindest ein erfindungsgemäßes Prüfsystem zur kontinuierlichen Überwachung der additiven Herstellung zumindest eines Bauteils. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten, zweiten und/oder dritten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
Bevorzugt umfasst die Schichtbauvorrichtung mindestens eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens ein Pulverbett als Aufbau- und Fügezone, mindestens eine bewegbare Bauplattform, mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs durch selektives Abtasten und Aufschmelzen des Werkstoffs entlang von Scanlinien, eine Steuereinrichtung und ein erfindungsgemäßes Prüfsystem.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Speichermedium mit einem Programmcode, der dazu ausgebildet ist, bei Ausführen durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine Vorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt so zu steuern, dass diese ein Verfahren nach dem zweiten Erfindungsaspekt durchführt. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher einer Prozessoreinrichtung der Steuer- und/oder Regeleinrichtung gespeichert sein. Außerdem kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung ein Speichermedium mit einem Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des Verfahrens gemäß dem ersten und/oder zweiten Erfindungsaspekt auszuführen.
Generell sind „ein/eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können „ein/eine“ auch als „nur ein/nur eine“ verstanden werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die so-mit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der An-sprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Prüfsystems;
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung; und
3 eine schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur kontinuierlichen Überwachung der additiven Herstellung eines Bauteils.

1 zeigt eine schematische Schnittansicht des Prüfsystems 10 zur kontinuierlichen Überwachung der additiven Herstellung zumindest eines Bauteils 18, mit zwei Kameras 12 und zwei Beleuchtungselementen 14, wobei die zwei Beleuchtungselemente 14 monochromatisches Licht mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge emittieren und die Kameras 12 jeweils einen optischen Filter 16 umfassen, der für jeweils eine der von den Beleuchtungselementen 14 emittierten Wellenlängen durchlässig ist. Der Einsatz von Beleuchtungselementen 14, die unterschiedliches monochromatisches Licht aussenden und Kameras 12 mit jeweils passenden optischen Filtern 16 ermöglicht eine kontinuierliche Beleuchtung des Pulverbetts 40. Es können zeitgleiche Aufnahmen der unterschiedlichen monochromatischen Bilder als einzelne Bildersets durchgeführt werden, so dass die optische Überwachung ohne einen Zeitversatz erfolgt. Es ist aber auch möglich, nicht nur einzelne Bildersets mit mindestens zwei monochromatischen Aufnahmen hintereinander aufzunehmen, sondern die komplette Prozessüberwachung als Film abzuspeichern. Auf diese Weise können Daten über Abweichungen einzelner Parameterwerte beziehungsweise IST-Werten von vorgegebenen SOLL-Werten oder SOLL-Wertebereichen des Fertigungsprozesses des Bauteils 18 in Echtzeit identifiziert und analysiert werden. Diskrete Ereignisse beziehungsweise Fehler werden in Echtzeit erkannt und können direkt bewertet werden.
Die Beleuchtungselemente 14 beleuchten das Bauteil 18 aus unterschiedlichen Positionen. Für die monochromatischen Aufnahmen beziehungsweise Bilder jeder Kamera 12 wird das Bauteil 18 beispielsweise aus einem anderen Winkel von den Beleuchtungselementen 14 ausgeleuchtet. Durch die Ausleuchtung des Pulverbetts 40 aus mehreren unterschiedlichen Winkeln werden Schatten oder Flächen mit Helligkeitsgradienten, die optische Messungen beeinträchtigen oder verfälschen können, deutlich reduziert oder gänzlich vermieden.
Das Prüfsystem 10 kann auch vier Kameras 12 und vier Beleuchtungselemente 14 aufweisen. Durch die Verwendung von vier Kameras 12 und vier Beleuchtungselementen 14 ist es möglich, das Pulverbett 40 und auch das Bauteil 18 sehr gut auszuleuchten und zu überwachen. Die Aufnahmen von Bildern aus vier unterschiedlichen Perspektiven ermöglichen eine deutlich umfassendere und damit verbesserte Überwachung des Bauteils 18. Darüber hinaus ermöglicht die Aufnahme des Pulverbetts 40 aus vier Perspektiven eine verbesserte dreidimensionale Darstellung des Bauteils 18.
Das Prüfsystem 10 umfasst weiterhin einen Verarbeitungseinrichtung 20, mit der die von den Kameras 12 zeitgleich aufgenommenen monochromatischen Bilder beziehungsweise Bildersets des von den Beleuchtungselementen 14 beleuchteten Bauteils 18 auswertbar sind. Das Bauteil 18 ist durch Triangulierung der von den Kameras 12 aufgenommen Bildersets dreidimensional darstellbar. Die Auswertung der Bildaufnahmen ermöglicht eine detaillierte Analyse einzelner Verfahrens- und Bauteilparameter und den Vergleich von IST-Werten des Bauteils 18 mit vorgegebenen SOLL-Werten oder SOLL-Wertebereichen. Die dreidimensionale Darstellung des Bauteils 18 erleichtert die Analyse der Bauteilparameter, insbesondere die Formpassung des Bauteils 18 kann so effizienter ermittelt werden. So können mittels Echtzeitdatenübertragung strukturelle Abweichungen am Bauteil 18 während des Herstellungsprozesses schneller identifiziert und analysiert werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Schichtbauvorrichtung 30. Die Schichtbauvorrichtung 30 dient zur additiven Herstellung eines Bauteils 18 durch ein additives Schichtbauverfahren. Die Schichtbauvorrichtung 30 umfasst eine Pulverzuführung 32 mit einem Pulverbehälter 34 und einem Beschichter 36. Die Pulverzuführung 32 dient zum Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines pulverförmigen Werkstoffs 38 auf eine Aufbau- und Fügezone II einer gemäß Pfeil B bewegbaren Bauplattform 48. Hierzu wird der Beschichter 36 gemäß Pfeil III bewegt, um Werkstoff 38 aus dem Pulverbehälter 34 zur Aufbau- und Fügezone II zu transportieren. Die Schichtbauvorrichtung 30 umfasst weiterhin mindestens eine Strahlungsquelle 42 zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls 44, beispielsweise in Form eines Laserstrahls, zum schichtweisen und lokalen Verfestigen des Werkstoffs 38, in dem der Werkstoff 38 mit dem Energiestrahl 44 entlang von Scanlinien selektiv abgetastet und aufgeschmolzen wird. Zusätzlich ist eine Steuereinrichtung 46 vorgesehen, welche dazu ausgebildet ist, die Pulverzuführung 32 so zu steuern, dass diese mindestens eine Pulverschicht des Werkstoffs 38 auf die Aufbau- und Fügezone II der Bauplattform 48 aufträgt und die Bauplattform 48 schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke gemäß Pfeil B absenkt. Weiterhin umfasst die Schichtbauvorrichtung 30 eine grundsätzlich optionale optische Einrichtung 50, mittels welcher der Energiestrahl 44 über die Aufbau- und Fügezone II bewegt werden kann. Die Strahlungsquelle 42 und die Einrichtung 50, sind mit der Steuereinrichtung 46 zum Datenaustausch gekoppelt. Weiterhin umfasst die Schichtbauvorrichtung 30 eine ebenfalls grundsätzlich optionale Heizeinrichtung 52 mittels welcher das Pulverbett 40 auf eine gewünschte Temperatur temperierbar ist. Die Heizeinrichtung 52 kann beispielsweise eine oder mehrere feststehende oder bewegliche Induktionsspule(n) umfassen. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Heizelemente, beispielsweise IR-Strahler oder dergleichen vorgesehen sein. Darüber hinaus umfasst die Schichtbauvorrichtung 30 das Prüfsystem 10 zur kontinuierlichen Überwachung der additiven Herstellung des Bauteils 18, umfassend zwei Kameras 12 und zwei Beleuchtungselementen 14, wobei die zwei Beleuchtungselemente 14 monochromatisches Licht mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge emittieren und die Kameras 12 jeweils einen optischen Filter 16 umfassen, der für jeweils eine der von den Beleuchtungselementen 14 emittierten Wellenlängen durchlässig ist. Das Prüfsystem 10 umfasst weiterhin eine Verarbeitungseinrichtung 20, mit der die von den Kameras 12 zeitgleich aufgenommenen monochromatischen Bildersets des von den Beleuchtungselementen 14 beleuchteten Bauteils 18 auswertbar sind. Das Bauteil 18 ist durch Triangulierung der von den Kameras 12 aufgenommenen Bildersets dreidimensional darstellbar. Die Verarbeitungseinrichtung 20 ist separat angebracht, kann aber in die Steuereinrichtung 46 integriert sein.
3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Überwachung der additiven Herstellung eines Bauteils 18 mit dem Prüfsystem 10. Das hier dargestellte Verfahren umfasst die Schritte:

a) Beleuchten des Bauteils 18 mit den zwei Beleuchtungselementen 14;
b) Zeitgleiches Aufnehmen von Bildern des Bauteils 18 mit den zwei Kameras 12;
c) Auswerten der Bildaufnahmen aus Schritt b) mit der Verarbeitungseinrichtung 20; und
d) Herstellung des Bauteils 18, wenn zumindest ein erfasster Parameter P (IST-WERT) des Bauteils 18 um mehr als einen Abweichungswert X von dem vorgegebenen Wert des vorbestimmten Datensatzes V (SOLL-Wert oder SOLL-Wertebereich) abweicht.

Das Schichtbauverfahren wird gemäß dem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gestoppt, wenn der erfasste Parameter P des Bauteils 18 um mehr als den Abweichungswert X von dem vorgegeben Wert des Datensatzes V abweicht.
In Schritt c) wird eine dreidimensionale Form des Bauteils 18 durch Triangulierung der zeitgleich aufgenommenen monochromatischen Bilder der Kameras 12 erzeugt und mit den Vorgaben des vorbestimmten Werts des Datensatzes V verglichen.
Ein diskretes Ereignis beziehungsweise ein Fehler, insbesondere in der Form des Bauteils wird durch das Überwachungsverfahren schnell erkannt, da kein Zeitversatz zwischen den zeitgleich aufgenommenen monochromatischen Bildern vorliegt. Durch das Stoppen der Bauteilfertigung werden Zeit und Material gespart, gegenüber dem Fall, dass das direkte Ereignis beziehungsweise der Fehler in einem Zeitversatz zwischen den Bildern entsteht und erst nach Fertigstellung des Bauteils erkannt werden würde.
Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfeh-lern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen als vom Rahmen der Erfindung mit-umfasst anzusehen.
Bezugszeichenliste

10: Prüfsystem
12: Kamera
14: Beleuchtungselement
16: optischer Filter
18: Bauteil
20: Verarbeitungseinrichtung
30: Schichtbauvorrichtung
32: Pulverzuführung
34: Pulverbehälter
36: Beschichter
38: Werkstoff
40: Pulverbett
42: Strahlungsquelle
44: Energiestrahl
46: Steuereinrichtung
48: Bauplattform
50: Optische Einrichtung
52: Heizeinrichtung
B: Bewegungspfeil
P: Erfasster Parameter des Bauteils (IST-Wert)
V: Vorgegebener Wert des vorbestimmten Datensatzes (SOLL-Wert oder SOLL-Wertebereich)
X: Abweichungswert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2019/0381736 A1 [0003]

Claims

Prüfsystem (10) zur Überwachung, insbesondere zur kontinuierlichen Überwachung, der additiven Herstellung zumindest eines Bauteils (18), umfassend zumindest zwei Kameras (12) und zumindest zwei Beleuchtungselemente (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungselemente (14) monochromatisches Licht mit jeweils unterschiedlicher Wellenlänge emittieren, und die Kameras (12) jeweils zumindest einen optischen Filter (16) umfassen, der für jeweils eine von den Beleuchtungselementen (14) emittierten Wellenlängen durchlässig ist.
Prüfsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, die Anzahl der Kameras (12) der Anzahl der Beleuchtungselemente (14) entspricht.
Prüfsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, die Beleuchtungselemente (14) das Bauteil (18) aus unterschiedlichen Positionen beleuchten.
Prüfsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, das Prüfsystem (10) zumindest vier Kameras und zumindest vier Beleuchtungselemente (14) aufweist.
Prüfsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass, das Prüfsystem (10) weiterhin eine Verarbeitungseinrichtung (20) umfasst, mit der die von den Kameras (12) aufgenommenen Bilder des von den Beleuchtungselementen (14) beleuchteten zumindest einen Bauteils (18) auswertbar sind.
Prüfsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass, die Auswertung der aufgenommenen Bilder mittels Triangulierung erfolgt, wobei das Bauteil (18) dreidimensional darstellbar ist.
Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur kontinuierlichen Überwachung, einer additiven Herstellung zumindest eines Bauteils (18), umfassend zumindest die Schritte: a) Beleuchten des Bauteils (18) während der additiven Herstellung mit monochromatischem Licht zumindest zweier unterschiedlicher Wellenlängen; b) Zeitgleiches Aufnehmen von zumindest zwei unterschiedlichen monochromatischen Aufnahmen des Bauteils (18); und c) Vergleich der in Schritt b) aus den monochromatischen Aufnahmen ermittelten IST-Werten des Bauteils mit vorbestimmten SOLL-Werten oder SOLL-Wertebereichen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) ein Vergleichen der mittels Triangulierung der aufgenommenen Bilder erzeugten dreidimensionalen IST-Form des Bauteils (18) mit einer vorgegebenen dreidimensionalen SOLL-Form des Bauteils (18) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stoppen der Herstellung des zumindest einen Bauteils (18) erfolgt, falls zumindest ein ermittelter IST-Wert des Bauteils (18) nicht mit dem entsprechenden vordefinierten SOLL-Wert oder SOLL-Wertebereich übereinstimmt oder davon abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (18) nach der Fertigung aussortiert wird, falls zumindest ein ermittelter IST-Wert des Bauteils (18) nicht mit dem entsprechenden vordefinierten SOLL-Wert oder SOLL-Wertebereich übereinstimmt oder davon abweicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis c) kontinuierlich während eines vorbestimmten Zeitbereichs oder während des gesamten Prozesses der additiven Herstellung des Bauteils (18) durchgeführt werden.
Schichtbauvorrichtung (30) zum additiven Herstellen eines Bauteils (18) durch ein additives Schichtbauverfahren, umfassend zumindest ein Prüfsystem (10) zur Überwachung, insbesondere zur kontinuierlichen Überwachung, der additiven Herstellung zumindest eines Bauteils (18) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils zumindest folgende Schritte: a) Auftragen von mindestens einer Pulverschicht eines Werkstoffs auf mindestens eine Aufbau- und Fügezone mindestens einer bewegbaren Bauplattform; b) lokales Verfestigen des Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht des Bauteils, indem der Werkstoff gemäß eines vorbestimmten Datensatzes mit wenigstens einem Energiestrahl entlang von Scanlinien selektiv abgetastet und aufgeschmolzen wird; c) Schichtweises Absenken der Bauplattform um eine vordefinierte Schichtdicke; und d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis zur Fertigstellung des Bauteils, wobei die Schritte a) und/oder b) und/oder c) mittels des Prüfsystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11 überwacht werden.
Speichermedium mit einem Programmcode, der dazu ausgebildet ist, bei Ausführen durch eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 so zu steuern, dass diese ein Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 11 durchführt.