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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur, insbesondere, zerstörungsfreien Materialprüfung, vorzugsweise für additiv aus dem Pulverbett hergestellte Bauteile. Vorzugsweise betrifft das Verfahren weiterhin einen verbesserten, automatisierten Prozessablauf für besonders komplexe oder dünnwandige Bauteilgeometrien.
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Design und Materialeigenschaften von Hochleistungs-Maschinenkomponenten sind Gegenstand stetiger Entwicklung, um Funktionalität und/oder Einsatzgebiete der entsprechenden Bauteile im Einsatz zu steigern bzw. zu erweitern. Bei Wärmekraftmaschinen, insbesondere Gasturbinen, zielt die Entwicklung häufig auf immer höheren Einsatztemperaturen. Um beispielsweise den Herausforderungen sich wandelnder industrieller Anforderungen gerecht zu werden, erstrebt die Entwicklung insbesondere eine Festigkeitssteigerung oder eine erhöhte thermische Belastbarkeit und Lebensdauer solcher Bauteilstrukturen.
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Die beschriebenen Bauteile können vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen sein. Beispielsweise betrifft das Bauteil eine zu kühlende Komponente mit einem dünnwandigen oder filigranen Design. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Bauteil um eine Komponente für den Einsatz in der Automobilität oder im Luftfahrtsektor handeln.
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Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund technischer Weiterentwicklung zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Bauteile, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Wärmeübertragern.
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Additive Herstellungsverfahren (AM: „additive manufacturing“), umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren („PBF“ für Powder Bed Fusion) das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Additive Fertigungsverfahren haben sich insbesondere als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.
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Alternativ kann die vorliegende erfindungsgemäße Methodik - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - auf andere und anders hergestellte, beispielsweise auf konventionellem oder durch spanende Bearbeitung hergestellte, Bauteile angewendet werden.
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Besondere erfindungsgemäße Vorteile manifestieren sich jedenfalls besonders bei komplizierten und filigranen Bauteilformen unabhängig von der gewählten Herstellungsroute.
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Besonders dünnwandige Bauteile können seit neuestem insbesondere vorteilhaft durch die Verwendung neuartiger pulsmodulierender oder pulsender LPBF-Verfahrens (Laser Powder Bed Fusion) erreicht werden, die es möglich machen, besonders kleine Schmelzbäder und dadurch auch besonders dünne Strukturen oder Merkmale zu generieren. Es besteht insbesondere die Möglichkeit, Wände mit einer Stärke oder Dicke zwischen 0,1 mm und 0,2 mm (100-200 µm) zu produzieren, was beispielsweise besonders bei funktionalen Kühlstrukturen, Wärmetauschern oder Wärmeübertragen von Vorteil ist.
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Bei solchen Bauteilen ist es auch besonders wichtig, Qualität und Dichte anschließend zu prüfen, da es bei den genannten Wandstärken schnell zu Defekten kommen kann, welche die Anwendbarkeit im Betrieb möglicherweise thermisch und mechanisch hochbelastete Bauteile stark einschränken.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Prozessablauf für die, vorzugsweise automatisierte, zerstörungsfreie Materialprüfung vorzustellen. Insbesondere kann dadurch die Qualitätssicherung für (additiv und/oder industrialisiert gefertigte) dünnwandige und filigrane Bauteile entscheidend verbessert oder überhaupt erst validiert werden.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur (computer-implementierten) zerstörungsfreien Materialprüfung, insbesondere in der additiven, pulverbett-basierten Fertigung.
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Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Sollgeometrie, beispielsweise des entsprechenden Bauteildesigns mithilfe eines (CAD) 3D-Datenmodells des Bauteils.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Bereitstellen von Messdaten des Bauteils, wobei die Messdaten durch ein bildgebendes Verfahren, beispielsweise computertomographisch, magnetresonanztomographisch oder durch artgleiche Ansätze, generiert oder erbracht werden.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Überlagern oder Abgleichen des 3D-Datenmodells mit den Messdaten des Bauteils.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Bereitstellen von (quasi-2D) Modellschnitten durch Schneiden oder Slicen des mit den Messdaten überlagerten Datenmodells. Die Modellschnitte oder entsprechende Schichtinformationen, Modell- oder Messdaten, können vorzugsweise zweidimensional, d.h. ohne Höhen-, Tiefen-, oder Volumeninformation, vorliegen.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Untersuchen jedes der 2D Modellschnitte oder Schnittdaten mittels einer automatisierten Bildanalyse auf, beispielsweise strukturelle, Unterschiede oder Abweichungen (Defekte) zwischen dem Datenmodell und den Messdaten.
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Durch diesen Verfahrensablauf wird vorteilhafterweise eine quasi-automatisierte Lösung zur Qualitätssicherung von sehr komplexen, dünnwandigen und/oder periodischen Strukturen vorgestellt. Die in der Rede stehenden Bauteile können manuell mit vertretbarem Aufwand häufig nicht ausreichend auf Strukturdefekte oder ausreichende Qualität oder Maßhaltigkeit geprüft werden.
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In einer Ausgestaltung wird die Sollgeometrie durch einen 3D-CAD-Datensatz bereitgestellt.
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In einer Ausgestaltung werden die Messdaten durch ein tomographisches Verfahren generiert, insbesondere durch Computertomografie oder ein vergleichbares Verfahren, welches sich für die zerstörungsfreien Materialprüfung eignet.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Überlagerung einen Abgleich des 3D Datenmodells mit den Messdaten des Bauteils durch eine Ausgleichsanpassung (sogenannter „best-fit“) oder stellt eine solche dar.
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In einer Ausgestaltung beträgt oder entspricht ein Schicht- oder Schnittabstand von einzelnen Schichten des Datenmodells in etwa zwischen 0,01 mm und 0,05 mm. Diese Ausgestaltung ist besonders bevorzugt, da der Schnittabstand auf diese Weise zweckmäßig und nützlich auf eine Schichtunterteilung, welche beispielsweise im Wege von fertigungsvorbereitenden CAM-Verfahren durchgeführt wird, bzw. auf eine zweckmäßige Auflösungsgrenze von zu untersuchenden Strukturdefekten, angepasst werden kann.
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In einer Ausgestaltung erfolgt bei der automatischen Bildanalyse für die Untersuchung jedes der Modellschnitte eine Unterscheidung von massiven und hohlen Bauteilmerkmalen. Durch diese Ausgestaltung kann zweckmäßig eine Korrektur von Aufschmelzartefakten oder ungewollter Pulver- oder Partikelagglomeration im Wege des beschriebenen Abgleichs erfolgen.
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In einer Ausgestaltung wird bei der automatischen Bildanalyse für die Untersuchung jedes der Modellschnitte eine von Bauteilmerkmalen oder Hohlstrukturen eingeschlossene Fläche gemessen und ein Flächenabgleich mit dem Datenmodell (Soll-Ist-Vergleich) durchgeführt. Über den Flächenabgleich können Strukturdefekte besonders vorteilhaft und verlässlich - durch Maßnahmen der automatischen Mustererkennung, Bildverarbeitung - detektiert und erkannt werden.
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In einer Ausgestaltung werden bei der Flächenmessung ein Bauteilmaterial, ein Scanparameter, wie zum Beispiel eine Bestrahlungsleistung oder ein Bestrahlungsmuster, und/oder eine Position des Bauteils, beispielsweise im Bauraum einer entsprechenden additiven Herstellungsanlage, berücksichtigt.
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In einer Ausgestaltung werden bei der automatischen Bildanalyse Methoden des maschinellen Lernens oder vergleichbare Bildverarbeitung- oder Mustererkennungsansätze angewendet.
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In einer Ausgestaltung ist das Verfahren Teil der Qualitätssicherung in der Prozesskette der industrialisierten additiven Fertigung.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, beispielsweise umfassend ein Gerät oder eine Schnittstelle zum Bereitstellen der Messdaten.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Programmbefehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, diesen veranlassen, das Verfahren wie beschrieben durchzuführen.
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Eine CAD-Datei oder ein Computerprogrammprodukt kann beispielsweise als (flüchtiges oder nicht-flüchtiges) Speicher- oder Wiedergabemedium, wie z.B. eine Speicherkarte, ein USB-Stick, eine CD-ROM oder DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server und/oder in einem Netzwerk bereitgestellt werden oder vorliegen. Die Bereitstellung kann weiterhin zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt erfolgen.
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Das Computerprogrammprodukt kann weiterhin Geometriedaten und/oder Konstruktionsdaten in einem Datensatz oder Datenformat, wie einem 3D-Format bzw. als CAD-Daten enthalten bzw. ein Programm oder Programmcode zum Bereitstellen dieser Daten umfassen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Bereitstellungsvorrichtung für das Computerprogrammprodukt, wobei die Bereitstellungsvorrichtung des Computerprogrammprodukt speichern und oder bereitstellen kann.
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Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren bzw. das Computerprogrammprodukt beziehen, können ferner die Vorrichtung(en) betreffen, und umgekehrt.
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Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“ oder „bzw.“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
- 1 zeigt schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemä-ßen Verfahrensablaufs.
- 2 zeigt schematisch einen beispielhaften Modellschnitt bzw. ein diesen darstellendes Computerprogrammprodukt, in dem keine Strukturdefekte von dem erfindungsgemäßen Verfahren erkannt werden.
- 3 zeigt schematisch einen beispielhaften Modellschnitt bzw. ein diesen darstellendes Computerprogrammprodukt, in dem von dem erfindungsgemäßen Verfahren durch einen Flächenabgleich ein Strukturdefekt erkannt wird.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Grö-ßenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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1 deutet anhand eines schematischen Flussdiagramms den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf an. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung, welches beispielsweise als Teil oder teilweise in der Qualitätssicherung von industrialisierten Herstellungsprozessen, insbesondere additive Prozesse, angewendet wird.
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Das Verfahren umfasst, (i), das Bereitstellen einer Sollgeometrie eines Bauteils 1 mithilfe eines 3D-Datenmodells des Bauteils 1. Die Sollgeometrie wird vorzugsweise durch einen 3D-CAD-Datensatz bereitgestellt.
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Das Verfahren umfasst weiterhin, (ii), das Bereitstellen von Messdaten des Bauteils 1, wobei die Messdaten durch ein bildgebendes Verfahren generiert werden. Vorzugsweise werden die Messdaten durch ein tomographisches Verfahren generiert werden, insbesondere durch Computertomografie (CT).
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Alternativ kann es sich bei dem Mittel zur Bereitstellung der Messdaten um ein alternatives tomographisches oder bildgebendes Verfahren handeln, wie zum Beispiel klassische Röntgentomographie, Ultraschalldiagnostik (Sonografie), Magnetresonanztomographie (MRT), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Einzelphotonen-Emissionscomputertomographie (SPECT), optische Kohärenztomografie (OCT), elektrische Impedanz-Tomografie (EIT), digitale Volumentomografie (DVT), oder ähnliche Verfahren.
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Das Verfahren umfasst weiterhin, (iii), das Überlagern des 3D-Datenmodells mit den Messdaten CT des Bauteils 1. Die Überlagerung kann insbesondere einen Abgleich des 3D-Datenmodells mit den Messdaten CT des Bauteils 1 durch eine Ausgleichsanpassung umfassen oder darstellen.
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Das Verfahren umfasst weiterhin, (iv), das Bereitstellen von 2D-Modellschnitten 10 durch Schneiden des mit den Messdaten überlagerten Datenmodells. Dabei kann ein Schicht- oder Schnittabstand von einzelnen Schichten des Datenmodells in etwa zwischen 0,01 mm und 0,2 mm, bevorzugt zwischen 0,01 mm und 0,1 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,01 mm und 0,05 mm betragen.
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Das Verfahren umfasst noch weiterhin, (v), das Untersuchen jedes oder jedes erheblichen oder relevanten der 2D-Modellschnitte 10 mittels einer automatischen Bildanalyse auf strukturelle Unterschiede zwischen dem Datenmodell und den Messdaten, wobei beispielsweise eine Unterscheidung von massiven Bauteilmerkmalen 11, wie Schweißspritzern oder gesinterten Partikeln, und hohlen Bauteilmerkmalen oder Kavitäten 12 erfolgt. Mithilfe der automatischen Bildanalyse kann weiterhin eine von Bauteilmerkmalen eingeschlossene Fläche 12 gemessen und ein Flächenabgleich mit dem Datenmodell durchgeführt werden (siehe unten).
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Mit dem Bezugszeichen 20 soll in der Abbildung der 1 weiterhin eine Vorrichtung 20 zur Durchführung eines Verfahrens angedeutet sein.
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Ein Arbeits- oder Prüfergebnis des beschriebenen Verfahrens kann vorliegend beispielsweise als Computerprogrammprodukt CP vorliegen, vermittelt und weitergegeben werden. Ein solches Computerprogrammprodukt CP umfasst vorzugsweise Programmbefehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer, diesen veranlassen, das Verfahren durchzuführen.
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Mit dem Bezugszeichen 30 wird weiterhin eine Bereitstellungsvorrichtung für das Computerprogrammprodukt CP bezeichnet, welche vorzugsweise eingerichtet ist, das Computerprogrammprodukt CP zu speichern und/oder bereitzustellen.
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Mit anderen Worten und mit Bezug auf die eingekreisten Nummern der einzelnen Prozessschritte kann der erfindungsgemäße Verfahrensablauf wie folgt beschrieben werden:
- Gemäß dem mit (1) gekennzeichneten Schritt (vgl. (ii)) wird das beispielsweise auf additivem Wege durch LPBF hergestellte Bauteil nach der Fertigung einer computertomographischen Aufnahme unterzogen.
- Gemäß Schritt (2) kann dann eine Visualisierung der CT-Messdaten mittels einer 3D-Daten-Analyse-Software, wie „Volume Graphics“, erfolgen.
- Gemäß Schritt (3) erfolgt ein Abgleich der CT-Daten und den initialen CAD-Daten. Durch einen Best-fit werden die beiden Bauteilgeometrien oder -modelle überlagert, um die Aufbaurichtung bzw. Ausrichtung zu definieren. Da es nach dem Abtrennen von der Bauplatte zum nicht definierten Volumenverlust an der Unterseite des Bauteils kommt, ist es wichtig die obere Ebene als Referenzfläche für den Abgleich zu verwenden.
- Gemäß Schritt (4) werden die Daten (CAD und CT) nun geslict bzw. geschnitten. Der Abstand sollte zwischen 0,01 mm - 0,05 mm liegen, um alle möglichen bzw. erheblichen oder relevanten Defekte zu detektieren.
- Gemäß Schritt (5) werden die Schnittbilder nun algorithmisch durch Muster- oder Bilderkennungssoftware, beispielsweise „MIPAR“ analysiert oder geprüft. Dabei werden die einzelnen Kammern, Segmente, Merkmale oder Teilbereiche vorzugsweise gezielt in jeder Ebene (Modellschnitt) auf ihre jeweilige Fläche analysiert. Um dies zu erreichen, erfolgt vorzugsweise zunächst eine Unterscheidung von massiven und hohlen Bauteilmerkmalen (solid versus non-solid).
- Gemäß Schritt (6) wird die Fläche bzw. ein den oben genannten Kammern, Segmenten oder Bereichen entsprechender Flächeninhalt anschließend gemessen und mit dem ebenfalls geslicten CAD-Modell abgeglichen. Wenn die Fläche, bzw. die Anzahl and Kammern in einer Schnittebene abweichen, ist ein Durchbruch erkannt worden (vgl. 3 weiter unten) und ein Benutzer wird über die Anzahl der fehlerhaften Bauteilbereiche und den zugehörigen Modellschnitt (Ebene) informiert.
- Gemäß dem zusätzlichen Schritt (7) kann auch noch ein Abgleich mit der Verwendeten Scanstrategie implementiert werden. Dazu können beispielsweise zusätzlich Daten des Prozesses verwendet werden, die möglicherweise nur in 2D vorliegen, wie z.B. die Scanvektoren, Bestrahlungsparameter, wie eine Laserleistung, eine Position des Bauteils im Bauraum einer entsprechenden Herstellungsanlage, oder weitere (CAM) Steuerungsanweisungen der einzelnen Schichten (CAM), oder schichtbasierte (in-situ) Monitoring-Daten. Eine Auswertung all dieser Informationen kann beispielsweise computergestützt und/oder über Methoden des maschinellen Lernens erfolgen. Gemäß der auch anhand der 1 dargestellten Modellschnitte bzw. der (abgeglichenen) Information der Messdaten kann insbesondere über die beschriebene Flächenmessung schnell erkannt werden, ob ein Strukturdefekt auch in sehr dünnwandigen Bauteilstrukturen vorliegt (vgl. 2), oder nicht (vgl. 3).
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Ein Beispiel für die Erkennung einer Fehlstelle ist insbesondere in 2 dargestellt.
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3 zeigt einen erkannten Strukturdefekt 13, insbesondere einen Strukturdurchbruch oder eine Fehlstelle, zwischen den beiden Bauteilkammern auf der rechten Seite der Abbildung. Tatsächlich führt der beschriebene Soll-Ist-Vergleich auf diese Weise automatisch zu einer vergrößerten Fläche. Eine solche Information kann einem Bediener des Verfahrens vorteilhafterweise als Ergebnis der Materialprüfung ausgegeben werden.
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Es wird verdeutlicht, dass die welligen Wände der Schnittabbildungen in den 2 und 3 lediglich beispielhaft und qualitativ angedeutet sind; das beschriebene Prozedere jedoch ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch auf ganz abweichende Bauteilformen oder Strukturabschnitte anwendbar ist.
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Die vorliegend gezeigten welligen Strukturen können insbesondere Schnitte einer Struktur für einen Wärmetauscher oder einen additiv gefertigten Wärmeübertrager darstellen.
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Bei anderen Geometrien, beispielsweise solchen mit kleineren Zellen, Kammern oder zusammenhängenden Merkmalen, kann die Erkennung von Defekten im Soll-Ist-Vergleich komplizierter sein. Wie oben angedeutet kann „Machine Learning“ angewendet und zur Verbesserung der Genauigkeit und Verlässlichkeit auch einfach implementiert werden, insbesondere um die Schwellenwerte entsprechend den beschriebenen Randbedingungen zu definieren. Das Modell kann ebenfalls bei der Bereinigung oder Korrektur von Bildartefakten (vgl. (5)) eingesetzt werden, insbesondere um gesinterte oder agglomerierte Partikel zu erkennen.
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Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Flächenvergleich kann ebenfalls ein Formvergleich, beispielsweise von Bauteilkonturen oder dünnen Wänden des Bauteils, durchgeführt werden.
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Alternativ zu den beschriebenen Wärmeübertragung oder Kühlstrukturen kann es sich vorliegend bei dem Bauteil um ein Bauteil einer Strömungsmaschine, beispielsweise ein Bauteil des Heißgaspfad einer Gasturbine, handeln. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel, ein Ringsegment, ein Brennkammer- oder Brennerteil, wie eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, eine Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, einen Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.
