DE102021129548A1

DE102021129548A1 - Verfahren zum Betreiben einer Fertigungsanlage zur additiven Herstellung von Bauteilen aus einem Pulvermaterial

Info

Publication number: DE102021129548A1
Application number: DE102021129548.3A
Authority: DE
Inventors: Frederik Schaal; Valentin Blickle; Julia Peters
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-05-17
Also published as: WO2023083930A1

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben einer Fertigungsanlage zur additiven Herstellung von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, das auf eine Bauplattform in einer Baukammer der Fertigungsanlage schichtweise aufgetragen und durch Belichtung lokal verschweißt wird, wobei mittels einer Überwachungseinrichtung Qualitätsparameter (Q) einer Arbeitsschicht (AS) des Pulvermaterials zumindest im Bereich des oder der in der Fertigung befindlichen Bauteile erfasst und ausgewertet werden und bei Überschreiten von zulässigen Toleranzwerten für die erfassten Qualitätsparameter (Q) die Fertigung des oder der betroffenen Bauteile beendet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Fertigungsanlage zur additiven Herstellung von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, das auf eine Bauplattform in einer Baukammer der Fertigungsanlage schichtweise aufgetragen und durch Belichtung lokal verschweißt wird.
Pulverbettverfahren wie SLS (Selective Laser Sintering), SLM (Selective Laser Melting) und SEBM (Selective Electron Beam Melting) erlauben die Fertigung von Bauteilen mit der höchsten Geometriefreiheit.
Bei diesen Verfahren ist die Qualität der Arbeitsschicht im Pulverbett ein entscheidender Faktor für die Herstellung qualitativ hochwertiger Bauteile.
Die Qualität der Arbeitsschicht wirkt sich außerdem auf die von der Fertigungsanlage verwendeten Werkzeuge aus.
Es wurde daher in der DE 10 2018 218 991 A1 vorgeschlagen, optische Aufnahmen der Arbeitsschicht des Pulverbetts während der Fertigung eines Bauteils vorzunehmen und diese Aufnahmen auf Fehler in der Arbeitsschicht wie zu geringe Pulverdosierung oder Schmauchpartikel zu untersuchen. Bei Fehlern, die nachgebessert werden können wie bspw. im Falle einer unvollständigen Arbeitsschicht, kann die Fertigungsanlage derart angesteuert werden, dass vor dem Aufschmelzen des Pulvers durch die Belichtungsquelle die Arbeitsschicht vervollständigt wird. Bei gravierenderen Fehlern wird die Anlage abgeschaltet, um Beschädigungen der Werkzeuge, insbesondere der Pulverbeschichtungswerkzeuge zu vermeiden. Letztere Maßnahme führt jedoch insbesondere bei der Serienfertigung von Bauteilen zu unerwünschten Verzögerungen im Produktionsablauf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche Verzögerungen und Unterbrechungen bei der Fertigung von Bauteilen in Pulverbettverfahren aufgrund fehlerhafter Arbeitsschichten zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Fertigungsanlage zur additiven Herstellung von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, das auf eine Bauplattform in einer Baukammer der Fertigungsanlage schichtweise aufgetragen und durch Belichtung lokal verschweißt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mittels einer Überwachungseinrichtung Qualitätsparameter einer Arbeitsschicht des Pulvermaterials zumindest im Bereich des oder der in der Fertigung befindlichen Bauteile erfasst und ausgewertet werden und bei Überschreiten von zulässigen Toleranzwerten für die erfassten Qualitätsparameter die Fertigung des oder der betroffenen Bauteile beendet wird.
Durch die Beendigung der Fertigung des von der fehlerhaften Arbeitsschicht betroffenen Bauteils wird zwar dieses Bauteil „geopfert“, doch wird eine Beschädigung von Werkzeugen der Anlage vermieden. Und Unterbrechungszeiten der Fertigungsanlage können auf ein Minimum begrenzt werden. Aufgrund der Qualitätsmängel der Pulverarbeitsschicht ist eine zufriedenstellende Fertigstellung des gerade in der Herstellung befindlichen Bauteils allerdings in den meisten Fällen sowieso nicht möglich, sodass der Abbruch der Fertigung dieses Bauteils keinen wirklichen Nachteil darstellt.
Bei einer parallelen Fertigung mehrerer Bauteile mit der Fertigungsanlage kann bei Überschreiten von zulässigen Toleranzwerten für die erfassten Qualitätsparameter der Arbeitsschicht im Bereich eines Bauteils nach Beendigung der Fertigung dieses Bauteils die Fertigung der nicht betroffenen Bauteile fortgesetzt werden. Der bereichsweise Qualitätsmangel in der Pulverarbeitsschicht führt somit zu keinem Zeitverlust in der Fertigung der Bauteile.
Weiter ist es von Vorteil, wenn auf den von der Überwachungseinrichtung erfassten, qualitativ minderwertigen Bereich der Arbeitsschicht des Pulvermaterials solange neue Pulverschichten aufgetragen werden, bis eine Arbeitsschicht des Pulvermaterials vorliegt, deren von der Überwachungseinrichtung erfassten Qualitätsparameter innerhalb des Toleranzbereichs liegen, bevor in diesem Bereich der Arbeitsschicht mit der Fertigung des nächsten Bauteils begonnen wird. Damit kann sichergestellt werden, dass sich der Qualitätsmangel in der Arbeitsschicht des vorhergehenden Bauteils nicht auf die Fertigung eines neuen Bauteils in diesem Bereich auswirkt.
Vorzugsweise werden von der Überwachungseinrichtung insbesondere Aufwölbungen des Bauteils und/oder über die Arbeitsschicht des Pulvermaterials hervorstehende Elemente erfasst und deren Höhe mit zulässigen Toleranzwerten für die Höhe verglichen. Solche Aufwölbungen und vorstehenden Teile, die beispielsweise Metallspritzer oder Schmauchteilchen sein können, sind in der Lage, Beschädigungen des Pulverbeschichtungswerkzeugs zu verursachen und die Qualität des Bauteils zu beeinträchtigen. Sie lassen sich während des Fertigungsprozesses auch nicht eliminieren, weshalb ein sicheres Erfassen dieser Qualitätsmängel unerlässlich ist und zu einem Abbruch der Fertigung des Bauteils führen müssen.
Zur Erfassung dieser und anderer Qualitätsmängel der Arbeitsschicht des Pulverbetts kann zweckmäßigerweise eine optische Überwachungseinrichtung, insbesondere eine Kamera eingesetzt werden. Selbstverständlich können auch die Signale anderer Sensoren, beispielsweise von Sensoren zur Dichtemessung der Pulverarbeitsschichten und Meltpool-Signaturen zur Überwachung der Qualität der Arbeitsschicht herangezogen werden.
Die Höhe von Aufwölbungen und/oder hervorstehenden Elementen des Bauteils kann vorzugsweise dadurch detektiert werden, dass eine optische Aufnahme der Arbeitsschicht durch die Überwachungseinrichtung vorgenommen und die Aufnahme auf Schattenwürfe untersucht wird. Diese Schattenwürfe können durch eine entsprechende Beleuchtung der Arbeitsschicht erzeugt werden.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn mit Überwachungseinrichtung die Arbeitsschicht auf Rillen und Kerben untersucht wird und bei Detektion von Rillen oder Kerben in der Arbeitsschicht des Pulvermaterials eine Beschädigung eines Pulverbeschichtungswerkzeugs angezeigt und/oder ein Wechsel des Pulverbeschichtungswerkzeugs in der Fertigungsanlage ausgelöst wird. Fertigungsanlagen mit Werkzeugwechseleinrichtungen sind bereits bekannt. Entstehen durch reine Abnutzung oder durch Beschädigungen des Pulverbeschichtungswerkzeugs Rillen oder Kerben in der Pulverarbeitsschicht kann in einer solchen Fertigungsanlage ein automatischer Werkzeugwechsel durchgeführt werden.
Rattermarken können auch durch Kollisionen des Pulverauftragswerkzeugs mit Aufwölbungen und/oder hervorstehenden Elementen eines Bauteils entstehen. Sie können damit ebenfalls einen Hinweis auf ein Überschreiten von zulässigen Toleranzwerten für die erfassten Qualitätsparameter im Bereich der Arbeitsschicht eines Bauteils darstellen, so dass alternativ oder zusätzlich die Fertigung dieses Bauteils beendet werden kann.
Mit der Überwachungseinrichtung kann auch das Auftreten von Schmauch erfasst werden und bei Detektion von Schmauch der oder die Belichtungsquellen der Fertigungsanlage derart angesteuert werden, dass das Entstehen von Schmauch bei Belichtung der folgenden Arbeitsschichten vermieden wird. Schmauch ist ein Zeichen von ungünstigen Prozessbedingungen wie Überhitzungen. Das Detektieren von Schmauch kann ein Regelsignal auslösen, das beispielsweise die Zuordnung der Belichtungsquellen verändert, damit Überhitzungen beim Belichten darauffolgender Arbeitsschichten vermieden werden können.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn mit der Überwachungseinrichtung die Arbeitsschicht auf Rattermarken untersucht wird und bei Detektion von Rattermarken die Auftragsgeschwindigkeit eines Pulverauftragswerkzeugs reduziert wird. Rattermarken können ebenfalls durch Bildverarbeitungsprogramme in optischen Aufnahmen der Arbeitsschicht erkannt werden. Sie entstehen durch eine zu hohe und/oder ungleichmäßige Pulverauftragsgeschwindigkeit. Durch eine entsprechende Veränderung der Pulverauftragsgeschwindigkeit kann ein homogener Auftrag der Pulverschicht wieder gewährleistet werden.
Es ist außerdem möglich, mit der Überwachungseinrichtung von einer Arbeitsschicht nicht abgedeckte Bauteilbereiche zu erfassen und eine Reduzierung der Geschwindigkeit eines Schutzgases der Fertigungsanlage auszulösen. Freigelegte Bereiche des Bauteils nach Auftrag der Pulverarbeitsschicht deuten auf ein Abblasen des Pulvers hin, das in der Regel durch eine zu hohe Schutzgasgeschwindigkeit ausgelöst wird. Diese freigelegten Bereiche sind in einer Aufnahme der Arbeitsschicht des Pulvermaterials gut zu erkennen. Durch eine automatische Reduzierung der Schutzgasgeschwindigkeit kann sichergestellt werden, dass sich dieser Fehler beim Auftragen nachfolgender Arbeitsschichten nicht wiederholt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Fertigungsanlage zur additiven Herstellung von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, mit einer in einer Baukammer angeordneten Bauplattform, auf die das Pulvermaterial schichtweise aufgetragen und durch Belichtung lokal verschweißt wird, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Überwachungseinrichtung aufweist, mit welcher Qualitätsparameter einer Arbeitsschicht des Pulvermaterials erfassbar sind, und mit einer Auswerteeinrichtung zum Vergleichen der von der Überwachungseinrichtung erfassten Qualitätsparameter mit zulässigen Toleranzwerten für die Qualitätsparameter, wobei die Auswerteeinrichtung mit einer Steuereinrichtung der Fertigungsanlage gekoppelt ist. Eine solche Anlage ist ausgelegt, ein erfindungsgemäßes Verfahren vollautomatisch durchzuführen.
Außerdem umfasst die Erfindung eine Steuerungseinrichtung für eine erfindungsgemäße Fertigungsanlage zur Durchführung eines Verfahrens nach der Erfindung.
Im Folgenden werden verschiedene Qualitätsmängel von Arbeitsschichten eines Pulvermaterials anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:

1 ein Diagramm der Beschichtungsqualität über verschiedene Arbeitsschichten eines Pulvermaterials während einer Bauteilfertigung;
2 eine Aufnahme einer ersten Arbeitsschicht mit Qualitätsmängeln aus dem Diagramm in 1;
3 eine Aufnahme einer zweiten Arbeitsschicht mit Qualitätsmängeln aus dem Diagramm in 1;
4 eine Aufnahme einer weiteren Arbeitsschicht mit Qualitätsmängeln.

1 zeigt den Verlauf der Qualität Q der Arbeitsschichten AS eines Pulvermediums über den gesamten Fertigungsprozess eines Bauteils hinweg. Auf der horizontalen Achse sind die Nummern der aufeinanderfolgenden Arbeitsschichten AS aufgetragen. Das auf der senkrechten Achse aufgetragene Qualitätssignal Q kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen, wobei 0 eine perfekte Qualität anzeigt und 1 eine sehr schlechte Qualität. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, wechselt der Wert des Qualitätssignals Q zwischen den Schichten 1500 und 1560 von einem unkritischen auf einen kritischen Wert Q > 0,6.
2 zeigt eine Aufnahme der Arbeitsschicht 1500 und 3 eine Aufnahme der Arbeitsschicht 1540 aus dem Diagramm in 1. Während die Arbeitsschicht 1500 noch relativ homogen ausgebildet ist und nur am Rand einige kurze Rillen 11 aufweist, sind in der Arbeitsschicht 1540 eine tiefe Rille 12 sowie hervorstehende Partikel 13-16 zu erkennen, die derart schwerwiegend sind, dass gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits ab der Arbeitsschicht 1526 (s. 1) die Fertigung des Bauteils nicht fortgesetzt würde.
Bei den hervorstehenden Teilen 13-16 spiegelt das Qualitätssignal Q grob die Höhe der Teile über der Pulveroberfläche wieder. Um kleine und sehr große Defekte etwas zu glätten, kann eine Art Gamma-Korrektur durchgeführt werden, da für kleine Defekte nahe der Auflösungsgrenze und bei sehr großen Defekten der absolute Wert von Q irrelevant ist.
Für Rillen kann der Grauwertkontrast der detektierten Rillen als Qualitätssignal Q verwendet werden.
Im dargestellten Beispiel wurde die Fertigung des Bauteils nicht abgebrochen sondern weitergeführt, was zu einer Beschädigung des Beschichtungswerkzeugs geführt hat. Diese Beschädigung drückt sich in der tiefen Rille 12 in 3 in der Arbeitsschicht 1540 aus. Das Beschichtungswerkzeug ist damit unbrauchbar und muss ausgetauscht werden, was durch einen rechtszeitigen Abbruch der Fertigung des gerade hergestellten Bauteils nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hätte vermieden werden können.
Nach Aufbringen ausreichend vieler homogener Arbeitsschichten auf diejenige Arbeitsschicht, die zu einem Abschalten der Fertigung des Bauteils geführt hat - im dargestellten Beispiel die Schicht 1526 -, um alle Qualitätsmängel dieser Schicht abzudecken, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der Produktion des nächsten Bauteils begonnen werden.
In 4 ist eine Aufnahme einer nicht vollständigen Arbeitsschicht 100 gezeigt, wobei die fehlenden Bereiche 110 gepunktet markiert sind. Dieser Qualitätsmangel kann durch eine Neubeschichtung mit Pulvermaterial behoben werden und führt daher nicht zu einem Abbruch der Fertigung des gerade hergestellten Bauteils. Der Qualitätsparameter Q berechnet sich in diesem Fall direkt aus dem Flächenverhältnis zwischen der gesamten erfassten und der beschichteten Fläche. Dieses Verhältnis wird mit dem Faktor 10 multipliziert, sodass ein Qualitätswert von 1 einer unbeschichteten Fläche von 10% entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018218991 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Fertigungsanlage zur additiven Herstellung von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, das auf eine Bauplattform in einer Baukammer der Fertigungsanlage schichtweise aufgetragen und durch Belichtung lokal verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Überwachungseinrichtung Qualitätsparameter (Q) einer Arbeitsschicht (AS) des Pulvermaterials zumindest im Bereich des oder der in der Fertigung befindlichen Bauteile erfasst und ausgewertet werden und bei Überschreiten von zulässigen Toleranzwerten für die erfassten Qualitätsparameter (Q) die Fertigung des oder der betroffenen Bauteile beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer parallelen Fertigung von mehreren Bauteilen mit der Fertigungseinrichtung bei Überschreiten von zulässigen Toleranzwerten für die erfassten Qualitätsparameter (Q) der Arbeitsschicht im Bereich eines Bauteils nach Beendigung der Fertigung dieses Bauteils die Fertigung der nicht betroffenen Bauteile fortgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf den von der Überwachungseinrichtung erfassten, qualitativ minderwertigen Bereich der Arbeitsschicht (AS) des Pulvermaterials solange neue Pulverschichten aufgetragen werden, bis eine Arbeitsschicht (AS) des Pulvermaterials vorliegt, deren von der Überwachungseinrichtung erfassten Qualitätsparameter (Q) innerhalb des zulässigen Toleranzbereichs liegen, bevor in diesem Bereich der Arbeitsschicht mit der Fertigung des nächsten Bauteils begonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Überwachungseinrichtung insbesondere Aufwölbungen eines Bauteils und/oder über die Arbeitsschicht des Pulvermaterials hervorstehende Elemente (13-16) erfasst und deren Höhe mit zulässigen Toleranzwerten für die Höhe verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Überwachungseinrichtung, insbesondere eine Kamera eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Aufnahme der Arbeitsschicht (AS) durch die Überwachungseinrichtung vorgenommen und durch Schattenwürfe in der Aufnahme das Vorhandensein und die Höhe von Aufwölbungen und/oder hervorstehenden Elementen eines Bauteils detektiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Überwachungseinrichtung die Arbeitsschicht (AS) auf Rillen (11, 12) und Kerben untersucht wird und bei Detektierung von Rillen (11, 12) oder Kerben in der Arbeitsschicht (AS) des Pulvermaterials außerhalb des zulässigen Toleranzbereichs eine Beschädigung eines Pulverbeschichtungswerkzeugs angezeigt und/oder ein Wechsel des Pulverbeschichtungswerkzeugs in der Fertigungsanlage ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Überwachungseinrichtung das Auftreten von Schmauch erfasst wird und bei Detektion von Schmauch der oder die Belichtungsquellen der Fertigungsanlage derart angesteuert werden, dass das Entstehen von Schmauch bei Belichtung der folgenden Arbeitsschichten (AS) vermieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Überwachungseinrichtung die Arbeitsschicht (AS) auf Rattermarken untersucht wird und bei Detektion von Rattermarken die Auftragsgeschwindigkeit eines Pulverauftragswerkzeugs reduziert wird und/oder die Fertigung eines Bauteils im Bereich der Rattermarken beendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Überwachungseinrichtung von einer Arbeitsschicht (AS) nicht abgedeckte Bauteilbereiche (110) erfasst werden und eine Reduzierung der Geschwindigkeit eines Schutzgases der Fertigungsanlage ausgelöst wird.
Fertigungsanlage zur additiven Herstellung von Bauteilen aus einem Pulvermaterial, mit einer in einer Baukammer angeordneten Bauplattform, auf die das Pulvermaterial schichtweise aufgetragen und durch Belichtung lokal verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Überwachungseinrichtung aufweist, mit welcher Qualitätsparameter (Q) einer Arbeitsschicht (AS) des Pulvermaterials erfassbar sind, und mit einer Auswerteeinrichtung zum Vergleichen der von der Überwachungseinrichtung erfassten Qualitätsparameter (Q) mit zulässigen Toleranzwerten für die Qualitätsparameter (Q), wobei die Auswerteeinrichtung mit einer Steuereinrichtung der Fertigungsanlage gekoppelt ist.
Steuerungseinrichtung für eine Fertigungsanlage nach Anspruch 11 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.