DE102021105918A1 - Additive repair system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein additives Reparatursystem (1), sowie ein Verfahren zur Ermittlung von Korrekturparametern eines entsprechenden Systems (1).Das additive Reparatursystem (1) umfasst eine Bauplattform (2) mit einem darüber liegenden Bauvolumen (3) und einem von einer Steuerungsvorrichtung (5) gesteuerten Laser-Scanner (4) zum selektiven Laserschmelzen von sukzessive in Schichten in das Bauvolumen (3) eingebrachten pulverförmigem Werkstoff an vorgegebenen Koordinaten. Die Bauplattform (2) weist eine Mehrzahl von Reparaturpositionen (6) mit positions- und lagegenauen Aufnahmen (7) für durch Aufbringen von Material zu reparierende Bauteile (10) auf. Weiterhin ist ein Korrekturmodul (8) zur Transformation von vorgegebenen Reparaturgeometrien (20) für an einzelnen Reparaturpositionen (6) angeordneten Bauteilen (10) anhand für die jeweilige Reparaturposition (6) ermittelte Korrekturparameter, bevor die Reparaturgeometrien (20) an die Steuerungsvorrichtung (5) zur Steuerung des Laser-Scanners (4) übermittelt werden, vorgesehen.Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Ermittlung der Korrekturparameter, wie sie von dem erfindungsgemäßen additiven Reparatursystem (1) verwendet werden.The invention relates to an additive repair system (1) and a method for determining correction parameters of a corresponding system (1). The additive repair system (1) comprises a construction platform (2) with a construction volume (3) located above it and a control device ( 5) controlled laser scanner (4) for the selective laser melting of powdered material introduced successively in layers into the construction volume (3) at predetermined coordinates. The construction platform (2) has a plurality of repair positions (6) with receptacles (7) that are accurate in terms of position and position for components (10) to be repaired by applying material. Furthermore, a correction module (8) for transforming predetermined repair geometries (20) for components (10) arranged at individual repair positions (6) using correction parameters determined for the respective repair position (6) before the repair geometries (20) are sent to the control device (5) for controlling the laser scanner (4). The method according to the invention is used to determine the correction parameters as used by the additive repair system (1) according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein additives Reparatursystem sowie ein Verfahren zur Ermittlung von Korrekturparametern eines entsprechenden Systems.The invention relates to an additive repair system and a method for determining correction parameters of a corresponding system.
Im Stand der Technik sind Verfahren und Systeme für die additive Fertigung bekannt, bei denen sukzessive aufgebrachte Metallpulverschichten durch einen gesteuerten Laserstrahl gemäß einem vorgegebenen CAD-Modell selektiv zu einem nach Erstarrung festen Material umgeschmolzen wird („Selektives Laserschmelzen“; SLM). Nach entsprechender Bearbeitung sämtlicher Schichten kann das nicht-umgeschmolzene Pulver entfernt werden und es verbleibt ein Metallbauteil, welches nach Bedarf noch nachbearbeitet werden muss oder direkt verwendet werden kann.Methods and systems for additive manufacturing are known in the prior art, in which successively applied layers of metal powder are selectively remelted by a controlled laser beam according to a specified CAD model to form a solid material after solidification ("selective laser melting"; SLM). After all layers have been processed accordingly, the non-remelted powder can be removed and a metal component remains, which has to be reworked if necessary or can be used directly.
Die Technologie des additiven Fertigungsverfahrens mit selektivem Laserschmelzen wird auch für Additiv-Reparatur von Bauteilen eingesetzt. Dazu wird mithilfe des beschriebenen Verfahrens zusätzliches Material auf bereits bestehende Bauteile aufgetragen, um bspw. Fehl- oder Abnutzungsstellen an einem Bauteil auszugleichen.The technology of the additive manufacturing process with selective laser melting is also used for the additive repair of components. For this purpose, additional material is applied to existing components using the method described, for example to compensate for missing or worn areas on a component.
Um entsprechende Reparaturen durchführen zu können, ist die exakte Positionierung oder zumindest exakte Bestimmung der Position des zu reparierenden Bauteils auf der Bauplattform des Fertigungssystems zwingend. Gleichzeitig ist eine exakte Kalibrierung des Lasersystems gegenüber dem Bauteil bzw. der Bauplattform erforderlich. Nur so kann sichergestellt werden, dass auch tatsächlich das direkt an das zu reparierende Bauteil anliegendes Materialpulver durch einen Laserstrahl umgeschmolzen und so mit dem zu reparierenden Bauteil fest verbunden wird.In order to be able to carry out corresponding repairs, the exact positioning or at least exact determination of the position of the component to be repaired on the construction platform of the production system is essential. At the same time, the laser system must be precisely calibrated in relation to the component or the construction platform. This is the only way to ensure that the material powder lying directly on the component to be repaired is actually remelted by a laser beam and thus firmly connected to the component to be repaired.
Die Systeme für additive Fertigung müssen insbesondere für die beschrieben Reparaturverfahren aufwendig kalibriert werden. Dazu wird im Stand der Technik u.a. vorschlagen, auf einer Bauplattform des Fertigungssystems an einer vorgegebenen Position einen vorgegebenen Kalibrierungskörper in additiver Fertigung herzustellen. Nach Fertigstellung wird der so hergestellte und noch auf der Bauplattform befindliche Kalibrierungskörper unmittelbar vermessen, bspw. durch taktile Messverfahren. Aus evtl. Abweichung des Kalibrierungskörpers bzw. dessen Lage auf der Bauplattform und den Vorgaben können dann Korrekturwerte für eine evtl. Verschiebung oder Verdrehung der Koordinaten parallel zur Bauplattform ermittelt werden, die unmittelbar von der Steuerungseinheit des Lasers berücksichtigt werden können. Die Korrekturwerte können durch die wiederholte Herstellung des Kalibrierungskörpers unter Berücksichtigung der zuvor ermittelten Korrekturwerte überprüft werden.The systems for additive manufacturing have to be calibrated in a complex manner, especially for the repair methods described. For this purpose, the prior art proposes, among other things, to produce a specified calibration body in additive manufacturing at a specified position on a construction platform of the manufacturing system. After completion, the calibration body produced in this way and still on the construction platform is measured immediately, for example using tactile measuring methods. Correction values for a possible displacement or rotation of the coordinates parallel to the construction platform can then be determined from any deviation of the calibration body or its position on the construction platform and the specifications, which can be taken into account directly by the control unit of the laser. The correction values can be checked by repeatedly producing the calibration body, taking into account the previously determined correction values.
Es hat sich gezeigt, dass bei diesem Verfahren evtl. Verzerrungen im Koordinatensystem des Lasersystems über die Bauplattform häufig nicht festgestellt werden können. Darüber hinaus ist das Kalibrierungsverfahren aufgrund der erforderlichen Herstellung von Kalibrierungskörpern und deren anschließender Vermessung sehr aufwendig und erfordert häufig bis zu zehn Werktage zur Durchführung. Auch sind Ungenauigkeiten bei der Vermessung, die letztendlich zu einer ungenauen Kalibrierung führen, häufig nicht vollständig zu vermeiden.It has been shown that with this method, any distortions in the coordinate system of the laser system can often not be determined via the construction platform. In addition, the calibration process is very complex due to the required production of calibration bodies and their subsequent measurement and often requires up to ten working days to carry out. Also, inaccuracies in the measurement, which ultimately lead to an inaccurate calibration, often cannot be completely avoided.
Bei gemäß dem Stand der Technik kalibrierten Systemen für additive Fertigungsverfahren ist eine entsprechende additive Reparatur aufgrund der nicht vollständig zu vermeidenden Verzerrungen bei der Ansteuerung des Laserstrahls - wenn überhaupt - regelmäßig nur für ein einzelnes, zentral auf der Bauplattform angeordnetes Bauteil möglich. Eine zeitgleiche Reparatur mehrerer kleinerer Bauteile, die gemeinsam und voneinander beabstandet auf der Bauplattform angeordnet werden können, ist trotz des hohen Aufwands für die Kalibrierung regelmäßig nicht möglich.In systems for additive manufacturing processes calibrated according to the state of the art, a corresponding additive repair is usually only possible for a single component arranged centrally on the construction platform, if at all, due to the distortions that cannot be completely avoided when controlling the laser beam. A simultaneous repair of several smaller components, which can be arranged together and at a distance from one another on the construction platform, is regularly not possible, despite the great effort involved in calibrating.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein additives Reparatursystem sowie ein Verfahren zu dessen Kalibrierung zu schaffen, bei dem die Nachteile aus dem Stand der Technik nicht mehr oder nur noch in vermindertem Umfang auftreten.The object of the present invention is to create an additive repair system and a method for its calibration, in which the disadvantages of the prior art no longer occur or only occur to a reduced extent.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein additives Reparatursystem gemäß dem Hauptanspruch sowie ein Verfahren zur Ermittlung von Korrekturparameter eines solchen Reparatursystems gemäß dem nebengeordneten Anspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by an additive repair system according to the main claim and a method for determining correction parameters of such a repair system according to the independent claim. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.
Demnach betrifft die Erfindung ein additives Reparatursystem umfassend eine Bauplattform mit einem darüber liegenden Bauvolumen und einem von einer Steuerungsvorrichtung gesteuerten Laser-Scanner zum selektiven Laserschmelzen von sukzessive in Schichten in das Bauvolumen eingebrachten pulverförmigem Werkstoff an vorgegebenen Koordinaten, wobei die Bauplattform eine Mehrzahl von Reparaturpositionen mit positions- und lagegenauen Aufnahmen für durch Aufbringen von Material zu reparierende Bauteile aufweist und ein Korrekturmodul zur Transformation von vorgegebenen Reparaturgeometrien für an einzelnen Reparaturpositionen angeordneten Bauteilen anhand für die jeweilige Reparaturposition ermittelte Korrekturparameter, bevor die Reparaturgeometrien an die Steuerungsvorrichtung zur Steuerung des Laser-Scanners übermittelt werden, vorgesehen ist.Accordingly, the invention relates to an additive repair system comprising a construction platform with an overlying construction volume and a laser scanner controlled by a control device for selective laser melting of powdery material introduced successively in layers into the construction volume at predetermined coordinates, the construction platform having a plurality of repair positions with positions - and positionally accurate recordings for components to be repaired by applying material and a correction module for the transformation of predetermined repair geometries for components arranged at individual repair positions using correction parameters determined for the respective repair position before the repair geometries are transmitted to the control device for controlling the laser scanner, is provided.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Korrekturparameter eines erfindungsgemäßen additiven Reparatursystems, mit den Schritten:
- a) Anordnen von einem oder mehreren Messsystemen an einer oder mehreren Reparaturpositionen des Reparatursystems zur Erfassung der an der jeweiligen Reparaturposition einfallenden Laserstrahlen;
- b) Ansteuerung des Laser-Scanners zum gleichzeitigen oder sukzessiven Anstrahlen jeweils eines oder mehrerer vorgegebenen Punkte der Reparaturposition(en), an denen ein Messsystem angeordnet ist;
- c) Ermittlung der jeweils lokalen Korrekturparameter über das oder die Messsysteme anhand der erfassten einfallenden Laserstrahlen;
- d) Wiederholung der Schritte (a) bis (c) mit veränderter Anordnung des oder der Messsysteme, bis lokale Korrekturparameter für jede Reparaturposition ermittelt sind; und
- e) Ablegen der Korrekturparameter im Korrekturmodul.
- a) arranging one or more measuring systems at one or more repair positions of the repair system for detecting the incident laser beams at the respective repair position;
- b) activation of the laser scanner for the simultaneous or successive irradiation of one or more specified points of the repair position(s) at which a measuring system is arranged;
- c) determination of the respective local correction parameters via the measuring system or systems based on the detected incident laser beams;
- d) repeating steps (a) to (c) with a different arrangement of the measuring system or systems until local correction parameters have been determined for each repair position; and
- e) Storing the correction parameters in the correction module.
Für eine additive Reparatur eines Bauteils wird aus der Differenz von der tatsächlichen Geometrie des beschädigten Bauteils sowie der gewünschten Geometrie nach erfolgtem Materialauftrag eine sog. „Reparaturgeometrie“ ermittelt, welche die Geometrie des aufzutragenden Materials widerspiegelt.For an additive repair of a component, a so-called "repair geometry" is determined from the difference between the actual geometry of the damaged component and the desired geometry after the material application, which reflects the geometry of the material to be applied.
Diese Reparaturgeometrie wird bei dem erfindungsgemäßen additiven Reparatursystem, welches grundsätzlich nach dem Prinzip der additiven Fertigungsverfahren mit selektivem Laserschmelzen beruht, und folglich einen über eine Steuerungsvorrichtung steuerbaren Laser-Scanner zum selektiven Laserschmelzen von sukzessive in Schichten in ein oberhalb einer Bauplattform befindliches Bauvolumen eingebrachten pulverförmigem Werkstoff an vorgegebenen Koordinaten umfasst, verwendet, um den pulverförmigen Werkstoff an den geeigneten Stellen umzuschmelzen, sodass sich aus dem beschädigten Bauteil und dem hinzugefügten Material nach und nach die gewünschte Geometrie ergibt und das hinzugefügte Material fest mit dem Bauteil verbunden ist. Hierfür ist zwingend erforderlich, dass der Laser-Scanner die Reparaturgeometrie in der korrekten Position und Lage gegenüber dem zu reparierenden Bauteil umsetzt.This repair geometry is used in the additive repair system according to the invention, which is fundamentally based on the principle of additive manufacturing processes with selective laser melting, and consequently a laser scanner that can be controlled via a control device for selective laser melting of powdered material successively introduced in layers into a construction volume located above a construction platform specified coordinates, is used to remelt the powdery material at the appropriate points so that the damaged component and the added material gradually result in the desired geometry and the added material is firmly connected to the component. For this it is imperative that the laser scanner implements the repair geometry in the correct position and position in relation to the component to be repaired.
Bei dem erfindungsgemäßen additiven Reparatursystem weist die Bauplattform eine Mehrzahl von Reparaturpositionen auf, an denen jeweils eine positions- und lagegenaue Aufnahme für ein zu reparierendes Bauteil vorgesehen ist. Eine Aufnahme ist „positions- und lagegenau“, wenn durch die Aufnahmen die Position und die Lage bzw. Ausrichtung des an einer Reparaturposition zu Reparaturzwecken anzuordnenden Bauteils vorgegeben ist. Dabei kann eine Aufnahme so ausgebildet sein, dass sich die Position und Lage eines darin eingesetzten Bauteils unmittelbar und eindeutig ergibt. Handelt es sich bei einem zu reparierenden Bauteil bspw. um die Turbinenschaufel eines Flugzeugtriebwerks, kann die Aufnahme ein Profil zum passgenauen Umfassen des Schaufelfußes aufweisen, über das die Position und Ausrichtung der - in diesem Beispiel - Turbinenschaufel eindeutig und genau festgelegt ist. Alternativ ist es möglich, dass die Aufnahme eine Justierung der Position und Lage eines darin eingesetzten Bauteils zulässt, wobei die Justierung entweder zum Erreichen einer vorgegebenen Position und Lage - deren Einhaltung vorzugsweise durch geeignete Messvorrichtungen überprüft wird - oder aber die tatsächlich eingestellte Justierung dem später beschriebenen Korrekturmodul zugeführt und dort bei der Transformation der Reparaturgeometrie entsprechend berücksichtigt wird.In the additive repair system according to the invention, the construction platform has a plurality of repair positions, at each of which a location-accurate receptacle for a component to be repaired is provided. A recording is "accurate in position and position" if the position and the position or alignment of the component to be arranged at a repair position for repair purposes is specified by the recordings. In this case, a receptacle can be designed in such a way that the position and location of a component inserted therein is immediately and unambiguously obtained. If the component to be repaired is, for example, the turbine blade of an aircraft engine, the receptacle can have a profile for precisely fitting the blade root, via which the position and orientation of the—in this example—turbine blade is clearly and precisely defined. Alternatively, it is possible that the recording allows an adjustment of the position and location of a component inserted therein, the adjustment either to achieve a predetermined position and location - compliance with which is preferably checked by suitable measuring devices - or the actually set adjustment to the later described Correction module is supplied and taken into account there in the transformation of the repair geometry accordingly.
Um bei der additiven Reparatur von Bauteilen an jeder der Reparaturpositionen sicherzustellen, dass das hinzugefügte Material auch tatsächlich passgenau und fest mit dem jeweils zu reparierenden Bauteil an den gewünschten Stellen verbunden wird, sind erfindungsgemäß Korrekturparameter für jede der Reparaturpositionen bestimmt. Zu deren letztendlicher Berücksichtigung werden erfindungsgemäß die vorgegebenen Reparaturgeometrien für die einzelnen, an der verschiedenen Reparaturpositionen angeordneten Bauteile anhand der für die jeweiligen Reparaturpositionen ermittelten Korrekturparameter transformiert, bevor dann diese transformierten Reparaturgeometrien an die Steuerungsvorrichtung des Laser-Scanners zur letztendlichen Durchführung der Reparatur übermittelt werden.In order to ensure during the additive repair of components at each of the repair positions that the added material is actually accurately and securely connected to the component to be repaired at the desired points, correction parameters are determined according to the invention for each of the repair positions. According to the invention, the specified repair geometries for the individual components arranged at the various repair positions are transformed using the correction parameters determined for the respective repair positions before these transformed repair geometries are then transmitted to the control device of the laser scanner for the final execution of the repair.
Durch die Transformation wird letztendlich das Koordinatensystem der an dem tatsächlichen zu reparierenden Bauteil an einer Reparaturposition orientierten Reparaturgeometrie in ein Koordinatensystem überführt, welches mit dem für diese Reparaturposition lokalen Koordinatensystem des Laser-Scanners übereinstimmt. In anderen Worten wird durch die Transformation sichergestellt, dass eine einen Punkt auf der Oberfläche des realen Bauteils bezeichnende Koordinate nach erfolgter Transformation und Übermittlung an den Laser-Scanner zu einem auf eben diesen Punkt gerichteten Laserstrahl zur Folge hat.The transformation finally converts the coordinate system of the repair geometry oriented on the actual component to be repaired at a repair position into a coordinate system which corresponds to the local coordinate system of the laser scanner for this repair position. In other words, the transformation ensures that a coordinate designating a point on the surface of the real component, after transformation and transmission to the laser scanner, results in a laser beam directed at precisely this point.
Das Korrekturmodul kann dazu ausgebildet sein, zur Transformation die Reparaturgeometrien entsprechend der Korrekturparameter zu drehen, zu verschieben und/oder zu verzerren. Dabei ist es häufig ausreichend, wenn die Transformation allein in der Ebene parallel zur Bauplattform erfolgt. Da der Materialauftrag auf ein zu reparierendes Bauteil in Richtung senkrecht zur Bauplattform maßgeblich durch die Dicke der einzelnen Pulverschichten bestimmt ist, ergibt sich in eben diese Richtung in der Regel nur äußerst geringe Korrekturmöglichkeiten. Gleichzeitig besteht in eben dieser Richtung aber praktisch nie Korrekturbedarf.The correction module can be designed to rotate, shift and/or distort the repair geometries according to the correction parameters for the purpose of transformation. It is often sufficient if the transformation takes place solely in the plane parallel to the construction platform. Since the application of material to a component to be repaired in the direction perpendicular to the construction platform is largely determined by the thickness of the individual powder layers is determined, there are usually only extremely few possibilities for correction in precisely this direction. At the same time, there is almost never a need for corrections in this direction.
Auch hat sich gezeigt, dass es in der Regel ausreicht, für jede Reparaturposition einen Satz an Korrekturparameter zu ermitteln, der dann auf die gesamte Reparaturgeometrie des Bauteils an der entsprechenden Reparaturposition angewendet wird. Indem mehr als eine Reparaturposition auf der Bauplattform vorgesehen sind, ist die maximale Größe für zu reparierende Bauteile regelmäßig so begrenzt, dass ein Satz an Korrekturparameter eine ausreichende Genauigkeit für die jeweilige Reparaturposition über das gesamte dort angeordnete Bauteil aufweist. Je nach Größe und Abstand der einzelnen Reparaturpositionen kann es ausreichend sein, nur für einen Teil der Reparaturpositionen einen Satz an Korrekturparameter zu ermitteln, der dann auch für die jeweils unmittelbar umliegenden Reparaturpositionen als Korrekturparameter angewendet wird. In diesem Fall werden also weiterhin für eine Mehrzahl an Reparaturpositionen Korrekturparameter ermittelt, die dann aber auch auf weitere Reparaturpositionen angewendet werden, sodass im Ergebnis für sämtliche Reparaturpositionen Korrekturparameter ermittelt sind.It has also been shown that it is usually sufficient to determine a set of correction parameters for each repair position, which is then applied to the entire repair geometry of the component at the corresponding repair position. Since more than one repair position is provided on the construction platform, the maximum size for components to be repaired is regularly limited in such a way that a set of correction parameters has sufficient accuracy for the respective repair position over the entire component arranged there. Depending on the size and spacing of the individual repair positions, it may be sufficient to determine a set of correction parameters for only part of the repair positions, which is then also used as a correction parameter for the respective directly surrounding repair positions. In this case, correction parameters are determined for a plurality of repair items, which are then also applied to other repair items, so that correction parameters are determined for all repair items.
Es ist auch möglich, dass das Korrekturmodul zur räumlichen Interpolation der Korrekturparameter zwischen zwei oder mehr Reparaturpositionen und zur Transformation der Reparaturgeometrien unter Berücksichtigung der interpolierten Korrekturparameter ausgebildet ist. Es können dann für jeden Punkt im Bauvolumen individuelle Korrekturparameter bestimmt werden. Da weiterhin nur die Korrekturparameter an den Reparaturpositionen ermittelt werden müssen, steigt der Aufwand für die Ermittlung von Korrekturparametern nicht. Durch entsprechende Interpolation zwischen den für die Reparaturposition ermittelten Korrekturparameter ist es aber dennoch möglich, evtl. Verzerrungen im Koordinatensystem des Laser-Scanners näherungsweise und regelmäßig mit ausreichender Genauigkeit auszugleichen.It is also possible for the correction module to be designed for the spatial interpolation of the correction parameters between two or more repair positions and for the transformation of the repair geometries, taking into account the interpolated correction parameters. Individual correction parameters can then be determined for each point in the construction volume. Since only the correction parameters at the repair positions still have to be determined, the effort involved in determining correction parameters does not increase. However, by appropriate interpolation between the correction parameters determined for the repair position, it is still possible to approximately and regularly compensate for any distortions in the coordinate system of the laser scanner with sufficient accuracy.
Zu Ermittlung der einzelnen Reparaturparameter kann ein frei an den einzelnen Reparaturpositionen anzuordnendes Messsystem vorgesehen sein, welches bei Anstrahlung eines vorgegebenen Punktes der Reparaturposition durch den Laser-Scanner Korrekturparameter für die jeweilige Reparaturposition ermittelt. Dabei ist bevorzugt, wenn sich das Messsystem positions- und lagegenaue an der Aufnahme der fraglichen Reparaturposition befestigen lässt. Ist das Messsystem an einer Reparaturposition angeordnet, kann der Laser-Scanner angesteuert werden, einen oder mehrere vorgegebene Punkte an der Reparaturposition anzustrahlen. Durch Vermessung des tatsächlichen Auftreffpunktes und/oder des Einfallswinkels des Laserstrahls für jeden der vorgegebenen Punkte durch das Messsystem können Abweichungen zwischen vom Laser-Scanner gemäß vorgegebenen Koordinaten angestrahlten Punkt und dem tatsächlichen Punkt, dessen Koordinaten dem Laser-Scanner übermittelt wurden, ermittelt und daraus geeignete Korrekturparameter abgeleitet werden. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis für sämtliche Reparaturpositionen Korrekturparameter vorliegen. Sämtliche Korrekturparameter werden dann im Korrekturmodul abgelegt, wie oben beschrieben, zur Transformation der Reparaturgeometrie verwendet.To determine the individual repair parameters, a measuring system that can be freely arranged at the individual repair positions can be provided, which determines correction parameters for the respective repair position when the laser scanner illuminates a predetermined point of the repair position. In this case, it is preferred if the measuring system can be fastened to the recording of the repair position in question in a precise position and position. If the measuring system is arranged at a repair position, the laser scanner can be controlled to illuminate one or more specified points at the repair position. By measuring the actual point of impact and/or the angle of incidence of the laser beam for each of the specified points by the measuring system, deviations between the point illuminated by the laser scanner according to the specified coordinates and the actual point, the coordinates of which were transmitted to the laser scanner, can be determined and suitable ones can be determined from this Correction parameters are derived. This process is repeated until correction parameters are available for all repair items. All correction parameters are then stored in the correction module, as described above, used to transform the repair geometry.
Indem für jede Reparaturposition eigene Korrekturparameter ermittelt werden, ist eine für die additive Reparatur von Bauteilen ausreichende Genauigkeit an jeder der Reparaturpositionen sichergestellt. Da die Transformation der einzelnen Reparaturgeometrien für jede Reparaturposition individuell in einem Korrekturmodul durchgeführt wird, welche nicht in der Steuerungsvorrichtung des Laser-Scanners integriert sein muss, ist es möglich, ein bereits bestehendes Systeme für additive Fertigungsverfahren, welches lediglich eine einheitliche Kalibrierung für das gesamte Bauvolumen vorsieht, durch Hinzufügen eines Korrekturmoduls und der Definition mehrere Reparaturpositionen auf der Bauplattform zu einem erfindungsgemäßen System weiterzubilden.Since separate correction parameters are determined for each repair position, an accuracy that is sufficient for the additive repair of components is ensured at each of the repair positions. Since the transformation of the individual repair geometries for each repair position is carried out individually in a correction module, which does not have to be integrated in the control device of the laser scanner, it is possible to use an already existing system for additive manufacturing processes, which only requires a uniform calibration for the entire construction volume provides for further development of a system according to the invention by adding a correction module and the definition of several repair positions on the construction platform.
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Korrekturparameter wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.To explain the method according to the invention for determining the correction parameters, reference is made to the above statements.
Die Erfindung wird nun anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
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1 : eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen additiven Reparatursystems; -
2 : eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen additiven Reparatursystems mit darin eingesetzten Turbinenschaufeln; -
3a-d : schematische Darstellungen zur Ermittlung einer Reparaturgeometrie für eine Turbinenschaufel; -
4 : schematische Darstellung zur Transformationder Reparaturgeometrie aus 3 gemäß ermittelter Korrekturparameter; -
5 : schematische Darstellung zur Ermittlung von Korrekturparametern; und -
6 schematische Darstellung der Korrekturparameter sämtlicher Reparaturpositionen des Reparatursystems aus1 und 2 .
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1 : a schematic representation of an additive repair system according to the invention; -
2 : a schematic representation of an additive repair system according to the invention with turbine blades inserted therein; -
3a-d : schematic representations for determining a repair geometry for a turbine blade; -
4 : schematic representation of the transformation of therepair geometry 3 according to determined correction parameters; -
5 : schematic representation for determining correction parameters; and -
6 schematic representation of the correction parameters of all repair positions of therepair system 1 and2 .
In
Das Reparatursystem 1 umfasst eine Bauplattform 2 als untere Begrenzung eines Bauvolumens 3. Oberhalb der Bauplattform 2 und des Bauvolumens 3 ist ein Laser-Scanner 4 angeordnet, mit dem jeder Punkt im Bauvolumen 3 gezielt angestrahlt werden kann. Zur Steuerung des Laser-Scanners 4 ist eine damit über eine Datenleitung 9 verbundene Steuerungsvorrichtung 5 vorgesehen.The
In das Bauvolumen 3 werden nacheinander Schichten von pulverförmigen Werkstoff (nicht dargestellt) eingebracht, die mithilfe des Laser-Scanners 4 selektiv an für die jeweilige Schicht vorgegebenen Koordinaten umgeschmolzen zu werden.Layers of powdery material (not shown) are successively introduced into the
Insoweit entspricht das System 1 einem aus dem Stand der Technik bekannten System für additive Fertigung per selektivem Laserschmelzen.In this respect, the
Auf der Bauplattform 2 sind in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt neun Reparaturpositionen 6 vorgesehen. An jeder der Reparaturposition 6 ist jeweils eine Aufnahme 7 vorgesehen, an welchen Triebwerksschaufeln 10 positions- und lagegenau befestigt werden können (vgl.
Ebenfalls vorgesehen ist ein Korrekturmodul 8, auf dessen Funktionsweise nachfolgend noch näher eingegangen wird. Das Korrekturmodul 8 ist getrennt von der Steuerungsvorrichtung 5 ausgeführt und mit dieser über eine Datenleitung 9 verbunden. Dadurch lässt sich auch ein System für additive Fertigung per selektivem Laserschmelzen gemäß dem Stand der Technik durch Vorsehen von Aufnahmen 7 auf der Bauplattform 2 sowie eines Korrekturmoduls 8 zu einem erfindungsgemäßen additiven Reparatursystem 1, wie es in
Die in
Wie in
Die so entstandene Formgebung der auf den unbeschädigten Grundbereich 13 reduzierten Schaufel 10, die bspw. durch einen 3D-Scanner erfasst wird, mit einem digitalen Modell 10' der Soll-Form der Triebwerksschaufel 10 (
Bei dem beschriebenen Abgleich werden sowohl die durch den 3D-Scanner-Daten erfassten Daten als auch die Daten des Modells 10' auf ein gemeinsames vorgegebenes Koordinatensystem 21 bezogen, in dem dann auch die Reparaturgeometrie 20 abgebildet ist. Die Reparaturgeometrie 20 gibt zusammen mit dem Koordinatensystem 21 also nicht nur die Formgebung des hinzuzufügenden Materialteils vor, sondern auch die exakte Position und Ausrichtung, an welcher Stelle Material der Triebwerksschaufel 10 hinzuzufügen ist.In the comparison described, both the data recorded by the 3D scanner data and the data of the model 10' are related to a common predetermined coordinate
Die so für eine Triebwerksschaufel 10 an einer bestimmten Reparaturposition 6 ermittelte Reparaturgeometrie 20 kann anschließend dazu verwendet werden, Material auf die Triebwerksschaufel 10 aufzubringen, um die jeweilige Beschädigung 12 auszugleichen. Allerdings ist durch die einfache Anwendung der Reparaturgeometrie 20 auf eine Reparaturposition 6 durch die Steuerungsvorrichtung 5 nicht sichergestellt, dass der Materialauftrag tatsächlich passgenau für die Beschädigung 12 erfolgt.The
Insbesondere da eine Mehrzahl von Reparaturposition 6 über die Bauplattform 2 verteilt sind, ist nicht sichergestellt, dass eine bspw. für einen zentralen Punkt der Bauplattform 2 gemäß dem Stand der Technik durchgeführte Kalibrierung des Laser-Scanners 4 eine ausreichende Genauigkeit auf für die von diesem zentralen Punkt entfernt liegenden Reparaturposition 6 bietet.In particular, since a plurality of
In
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die jeweiligen Reparaturgeometrien 20 mit Hilfe von für die jeweilige Reparaturposition 6 ermittelte Korrekturparameter so zu transformieren, dass bei Umsetzung durch die Steuerungsvorrichtung 5 das zur jeweiligen Reparaturgeometrie 20 gehörende Koordinatensystem 21 in die tatsächlich gewünschte Position und Ausrichtung, wie sie durch das Koordinatensystem 21' angedeutet und die letztendlich durch die Aufnahme 7 vorgegeben ist, transformiert wird, womit dann auch die Reparaturgeometrie 20 passgenau zur Beschädigung 12 einer in die Aufnahme 7 eingesetzten Triebwerksschaufel 10 ausgerichtet ist und der Materialauftrag passgenau an der Anschlussfläche 14 erfolgt. Die Transformation kann dabei eine Verschiebung, Drehung und/oder Verzerrung des Koordinatensystems 21 umfassen.According to the invention, the
Zur Ermittlung, welche Transformation an einer Reparaturposition 6 erforderlich sind - also zur Ermittlung der Korrekturparameter für die entsprechende Reparaturposition 6 - kann ein Messsystem 30, wie es beispielhaft in
Für das Messsystem 30 ist ein Muster an Lichtpunkten 33 in demjenigen Koordinatensystem 21 vorgegeben, welches auch den Reparaturgeometrien 20 zugrunde liegt (vgl.
Die Ermittlung der Korrekturparameter kann unmittelbar durch das Messsystem 30 durchgeführt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Ermittlung auf Basis der von dem Messsystem 30 zu Verfügung gestellten Information zu den Positionsabweichungen der tatsächlich erfassten Lichtpunkte 33'' von den entsprechenden Vorgaben 33 durch eine beliebe anderen Einheit, bspw. auch das Korrekturmodul 8 durchgeführt werden. Wesentlich ist lediglich, dass die ermittelten Korrekturparameter dem Korrekturmodul 8 für Transformationen, wie sie in Zusammenhang mit
Die in Zusammenhang mit
Die Transformation der Reparaturgeometrien 20 wird für jede Reparaturposition 6 einzeln von dem Korrekturmodul 5 anhand der für die jeweilige Reparaturposition ermittelten Korrekturparameter durchgeführt. Indem diese Transformation getrennt von der eigentlichen Steuerungsvorrichtung 5 des Laser-Scanners 4 durchgeführt wird, lassen sich bereits vorhandene Maschinen für die additive Fertigung oder Reparatur mithilfe von selektiven Laserschmelzen problemlos zu einem erfindungsgemäßen System weiterbilden. Es ist aber selbstverständlich auch möglich, dass das Korrekturmodul 5 in die Steuerungsvorrichtung integriert ist.The transformation of the
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