DE112021000437T5

DE112021000437T5 - Defektdetektionsverfahren, Defektdetektionsvorrichtung und Vorrichtung zur additiven Fertigung

Info

Publication number: DE112021000437T5
Application number: DE112021000437.9T
Authority: DE
Inventors: Misaki FUKUYAMA; Nobuhiro Higuchi; Natsuse Morimoto
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2021-02-16
Publication date: 2022-10-13
Also published as: US20230135790A1; JP7481132B2; WO2021182032A1; JP2021143972A

Abstract

Ein Defektdetektionsverfahren umfasst: einen Schritt der Bestrahlung eines Objekts mit einem gepulsten Laserstrahl, um kontinuierlich Ultraschallwellen in dem Objekt zu erzeugen; und einen Schritt der Detektion des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines internen Defekts des Objekts auf der Basis des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Resonanz der Ultraschallwellen, die zwischen einer Oberfläche des Objekts und dem internen Defekt auftreten. Bei diesem Verfahren wird der interne Defekt auf der Grundlage des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Resonanz der Ultraschallwellen, die zwischen der Oberfläche des Objekts und dem internen Defekt auftreten, detektiert. Auf diese Weise kann der interne Defekt auch dann detektiert werden, wenn sich der interne Defekt in einer Oberflächenschicht des Objekts befindet. Der detektierte interne Defekt ist ein Riss oder ein Hohlraum.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Defektdetektionsverfahren, eine Defektdetektionsvorrichtung und eine Vorrichtung zur additiven Fertigung.
HINTERGRUND
In den letzten Jahren wurde mit dem Ziel, die Leistung bei komplexen Strukturen zu verbessern, die Aufmerksamkeit auf die Technologie der additiven Fertigung (AM, engl. Additive Manufacturing) gelenkt, und Geräte zur Fertigung eines dreidimensionalen Objekts (3D-Druckprodukt) durch additive Fertigung unter Verwendung eines Elektronen- oder Laserstrahls haben sich weit verbreitet. Das Patentdokument 1 offenbart zum Beispiel eine Vorrichtung, die die Temperatur eines wachsenden Teils überwacht und die zu emittierende Strahlleistung auf der Grundlage der Temperatur in der additiven Fertigung einstellt.
Zitierliste
Patentliteratur
Patentschrift 1: JP2019-73796A
ZUSAMMENFASSUNG
Zu lösende Probleme
Konventionelle Guss- und Schmiedeprodukte unterliegen in jeder Phase des Produktionsprozesses Inspektionen, wie z. B. Inspektionen für jedes Teil und Inspektionen nach der Montage, um die Qualität sicherzustellen. Im Gegensatz dazu entstehen bei 3D-gedruckten Produkten, die mit Hilfe der additiven Fertigungstechnologie hergestellt werden, keine Zwischenprodukte, da sie in einem Arbeitsgang unter Verwendung von Metallpulver als Material geformt werden, und alle Teile müssen in ihrer endgültigen Form inspiziert werden.
Wird die oben beschriebene Inspektion jedoch auf 3D-gedruckte Produkte angewandt, die nach der Produktion durch additive Fertigung hergestellt wurden, ist es aufgrund der Komplexität der endgültigen Form möglicherweise nicht möglich, einen Sensor zu kontaktieren. Wenn die Produkte groß sind, dringen Röntgenstrahlen nicht ausreichend durch, was die Anwendung von Röntgen-CT oder ähnlichem erschwert. Außerdem dauert der 3D-Druck mehrere Dutzend Stunden bis zur Fertigstellung, aber es gibt kein Kriterium, um den Druck zu stoppen, selbst wenn während des Drucks ein interner Defekt auftritt. Wird ein interner Defekt bei Qualitätsinspektionen wie Röntgeninspektionen nach dem Druck festgestellt, kann es zu erheblichen Nacharbeiten kommen. Um das Risiko der Nacharbeit zu verringern, ist es wichtig, einen internen Defekt bereits während des Druckens detektieren zu können. Das Patentdokument 1 offenbart keine Maßnahme zur Lösung des Problems des internen Defekts.
Das Laser-Ultraschall-Verfahren ist als Verfahren zur berührungslosen Detektion eines internen Defekts bekannt. Bei dem Laser-Ultraschallverfahren wird die Oberfläche eines zu inspizierenden Objekts lokal erhitzt, indem die Oberfläche des Objekts mit einem gepulsten Laserstrahl bestrahlt wird, um durch thermische Ausdehnung oder Ablation Ultraschallwellen zu erzeugen, und die erzeugten Ultraschallwellen breiten sich im Inneren des Objekts aus, werden von einem internen Defekt reflektiert oder gestreut und breiten sich zurück zur Oberfläche aus, wo sie von einer Detektionsvorrichtung wie einem Laserinterferometer gemessen werden.
Bei der Defektdetektion mit dem Laser-Ultraschallverfahren müssen die vom Defekt reflektierten Wellen beobachtet werden, wenn er mit einem gepulsten Laserstrahl bestrahlt wird. Bei der Inspektion eines Defekts in geringer Tiefe (nahe der Oberfläche) werden die vom Defekt reflektierten Wellen jedoch durch die von den einfallenden Wellen verursachte Schwingung der Oberfläche verdeckt. Daher ist es schwierig, dieses Verfahren auf die Detektion eines Defekts anzuwenden, der sich in geringer Tiefe von der Oberfläche befindet und beim 3D-Druck auftritt.
In Anbetracht dessen besteht ein Ziel der vorliegenden Offenbarung darin, ein Defektdetektionsverfahren, eine Defektdetektionsvorrichtung und eine Vorrichtung zur additiven Fertigung bereitzustellen, die für die Detektion eines internen Defekts eines 3D-gedruckten Objekts geeignet sind.
Lösung der Probleme
Ein Defektdetektionsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält: einen Schritt des Bestrahlens eines Objekts mit einem gepulsten Laserstrahl, um kontinuierlich Ultraschallwellen in dem Objekt zu erzeugen; und einen Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines internen Defekts des Objekts auf der Basis des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Resonanz der Ultraschallwellen, die zwischen einer Oberfläche des Objekts und dem internen Defekt auftreten.
Eine Defektdetektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält: eine Gepulster-Laser-Bestrahlungsvorrichtung, die konfiguriert ist, ein Objekt mit einem gepulsten Laserstrahl zu bestrahlen, um kontinuierlich Ultraschallwellen in dem Objekt zu erzeugen; und eine Detektionsvorrichtung, die konfiguriert ist, Schwingungen auf einer Oberfläche des Objekts auf der Grundlage der Ultraschallwellen zu detektieren, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Resonanz der Ultraschallwellen zu detektieren und das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts des Objekts auf der Grundlage des Vorhandenseins oder der Abwesenheit der Resonanz der Ultraschallwellen zu detektieren, die zwischen der Oberfläche des Objekts und dem internen Defekt auftreten.
Eine Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß der vorliegenden Offenbarung enthält: eine Bestrahlungsvorrichtung zum 3D-Drucken eines Objekts; und die oben beschriebene Defektdetektionsvorrichtung.
Vorteilhafte Effekte
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Defektdetektionsverfahren, eine Defektdetektionsvorrichtung und eine Vorrichtung zur additiven Fertigung bereit, die geeignet sind, einen internen Defekt eines 3D-gedruckten Objekts zu detektieren.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einer Ausführungsform.
2 ist ein Diagramm zur Beschreibung des Prinzips des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform.
3 ist ein Diagramm zur Beschreibung des Prinzips des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform.
4 ist ein Diagramm zur Beschreibung des Prinzips des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform.
5 ist ein Flussdiagramm des Vorgangs des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform.
6 ist ein Diagramm zur Beschreibung des Prinzips des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform.
7 ist ein Flussdiagramm des Vorgangs des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform.
8 ist ein Flussdiagramm des Vorgangs des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es ist jedoch beabsichtigt, dass Abmessungen, Materialien, Formen, relativen Positionen und dergleichen von Komponenten, die in den Ausführungsbeispielen beschrieben werden, nur als illustrativ zu verstehen sind und den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränken sollen, es sei denn, sie sind besonders angegeben.
So ist beispielsweise der Ausdruck „relative oder absolute Anordnung“ wie „in einer Richtung“, „entlang einer Richtung“, „parallel“, „orthogonal“, „zentriert“, „konzentrisch“ und „koaxial“ nicht so auszulegen, dass er nur die Anordnung im strengen Wortsinn bezeichnet, sondern auch einen Zustand enthält, in dem die Anordnung um eine Toleranz oder um einen Winkel oder einen Abstand relativ verschoben ist, wodurch es möglich ist, die gleiche Funktion zu erreichen.
So ist z. B. der Ausdruck „gleich“, „ derselbe/dieselbe“ und „einheitlich“ nicht so zu verstehen, dass er nur den Zustand angibt, in dem das Merkmal strikt gleich ist, sondern er enthält auch einen Zustand, in dem es eine Toleranz oder einen Unterschied gibt, mit dem dennoch die gleiche Funktion erreicht werden kann.
Ferner ist z. B. ein Ausdruck wie „rechteckig“ oder „zylindrisch“ nicht so zu verstehen, dass er nur die geometrisch strenge Form bezeichnet, sondern auch eine Form mit Unebenheiten oder abgeschrägten Ecken innerhalb des Bereichs enthält, in dem die gleiche Wirkung erzielt werden kann.
Andererseits sind Ausdrücke wie „umfassen“, „enthalten“, „haben“, „enthalten“ und „bilden“ nicht so zu verstehen, dass sie andere Bestandteile ausschließen.
(Gesamtkonfiguration einer mit einer Defektdetektionsvorrichtung ausgestatteten Vorrichtung zur additiven Fertigung)
Es wird nun eine Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 gemäß einer Ausführungsform beschrieben. 1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 gemäß einer Ausführungsform. In 1 sind optische Systeme wie Kollimationslinsen und Kondensorlinsen nicht dargestellt. In der folgenden Beschreibung wird die Vorrichtung zur additiven Fertigung 300, die mit einer Defektdetektionsvorrichtung 200 ausgestattet ist, beschrieben, wobei die Defektdetektionsvorrichtung 200 unabhängig von der Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 sein kann.
Wie in 1 gezeigt, enthält die Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 eine Bestrahlungsvorrichtung 100 zum 3D-Drucken eines Objekts T und eine Defektdetektionsvorrichtung 200 zum Detektieren eines internen Defekts. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 ist beispielsweise eine Vorrichtung, die eine additive Fertigung (AM) im Pulverbett durchführt. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 kann eine Vorrichtung sein, die eine Laser-Metallabscheidung (LMD) durchführt.
Die Bestrahlungsvorrichtung 100 ist konfiguriert, ein Rohmaterialpulver (z. B. Legierungspulver), das als Pulverbett ausgebreitet ist, mit einem Energiestrahl B1 entlang einer beliebigen CAD-basierten Form zu bestrahlen. Dabei schmilzt und verfestigt die Bestrahlungsvorrichtung 100 das Rohmaterialpulver, um das Objekt T in 3D zu drucken. Die Bestrahlungsvorrichtung 100 ist eine Vorrichtung, die einen Laserstrahl zur Bearbeitung als Energiestrahl B1 aussendet. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 kann außerdem einen Galvano-Spiegel 101 enthalten. In diesem Fall kann der Galvano-Spiegel 101 die Richtung des Energiestrahls B 1 ändern, um über das Pulverbett zu scannen.
Die Bestrahlungsvorrichtung 100 ist nicht auf die obige Konfiguration beschränkt. Beispielsweise kann die Bestrahlungsvorrichtung 100 eine Vorrichtung sein, die einen Elektronenstrahl als Energiestrahl B1 aussendet. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 kann den Galvano-Spiegel 101 nicht enthalten. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 so konfiguriert sein, dass sie die Bestrahlungsvorrichtung 100 selbst bewegt oder dreht, um den Energiestrahl B1 abzutasten.
Die Defektdetektionsvorrichtung 200 enthält eine Gepulster-Laser-Bestrahlungsvorrichtung 201, die so konfiguriert ist, dass sie das Objekt T mit einem gepulsten Laserstrahl B2 bestrahlt, eine Detektionsvorrichtung 202, die konfiguriert ist, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts des Objekts T zu detektieren, und eine Steuervorrichtung 203, die konfiguriert ist, diese zu steuern. Die Gepulster-Laser-Bestrahlungsvorrichtung 201 bestrahlt das Objekt T mit dem gepulsten Laserstrahl B2, um kontinuierlich Ultraschallwellen im Objekt T zu erzeugen. Die Ultraschallwellen sind beispielsweise Burstwellen von 20 MHz oder 30 MHz. Diese Frequenz entspricht der Wiederholfrequenz (Repetitionsfrequenz) der Impulse des gepulsten Laserstrahls B2. Der „gepulste Laser“ enthält einen Laser, der die Leistung eines kontinuierlich oszillierenden Lasers periodisch ändert. Die Gepulster-Laser-Bestrahlungsvorrichtung 201 sendet den gepulsten Laserstrahl B2 vorzugsweise direkt von oben aus, um die Intensität der reflektierten Wellen zu erhöhen. Bei der additiven Fertigung im Pulverbett wird der gepulste Laserstrahl B2 vorzugsweise auf einen freiliegenden, nicht mit dem Pulver bedeckten Teil des Objekts T gerichtet.
Die Detektionsvorrichtung 202 ist konfiguriert, Schwingungen auf der Oberfläche des Objekts T basierend auf den Ultraschallwellen zu detektieren, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Resonanz der Ultraschallwellen zu detektieren. Ferner ist die Detektionsvorrichtung 202 konfiguriert, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts des Objekts T auf der Grundlage des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Resonanz der Ultraschallwellen zu detektieren, die zwischen der Oberfläche des Objekts T und dem internen Defekt auftreten. Bei dem internen Defekt handelt es sich um einen Bearbeitungsdefekt wie Risse und Hohlräume.
Die Detektiervorrichtung 202 kann z. B. ein Laserinterferometer enthalten. In diesem Fall ist die Detektionsvorrichtung 202 konfiguriert, einen Laserstrahl B3 auf das Objekt T auszusenden, den reflektierten Strahl zu empfangen und die Verschiebung, d.h. die Schwingung der Oberfläche des Objekts T zu messen.
Der Laserstrahl B3 ist vorzugsweise ein Laserstrahl mit einer anderen Wellenlänge als die des gepulsten Laserstrahls B2. Wenn beispielsweise der gepulste Laserstrahl B2 eine Infrarot-Wellenlänge und der Laserstrahl B3 eine Wellenlänge des sichtbaren Lichts hat, können beide Strahlen bei der Detektion leicht getrennt werden, selbst wenn sie sich überschneiden. Ein Laserdoppler kann als Konfiguration vorgesehen werden, die das Laserinterferometer enthält.
Die Defektdetektionsvorrichtung 200 kann ferner einen Galvanospiegel 204 enthalten. In diesem Fall kann der Galvano-Spiegel 204 die Richtung des gepulsten Laserstrahls B2 oder des Laserstrahls B3 ändern, um über das Pulverbett zu scannen.
Die Defektdetektionsvorrichtung 200 kann ferner einen Halbspiegel 205 enthalten. In diesem Fall können, wie in 1 gezeigt, der gepulste Laserstrahl B2 und der Laserstrahl B3 über den Halbspiegel 205 auf den Galvanospiegel 204 auftreffen, um die Richtung des gepulsten Laserstrahls B2 und des Laserstrahls B3 zu ändern. Eine solche Konfiguration ist geeignet, um den Laserstrahl B3 in der gleichen Position wie den gepulsten Laserstrahl B2 zu emittieren.
Die Defektdetektionsvorrichtung 200 kann den Galvano-Spiegel 204 nicht enthalten. Beispielsweise kann die Defektdetektionsvorrichtung 200 konfiguriert sein, die Gepulster-Laser-Bestrahlungsvorrichtung 201 selbst oder die Detektionsvorrichtung 202 selbst zu bewegen oder zu drehen, um den gepulsten Laserstrahl B2 oder den Laserstrahl B3 abzutasten.
Ferner kann die Defektdetektionsvorrichtung 200 den Halbspiegel 205 nicht enthalten. Zum Beispiel kann die Defektdetektionsvorrichtung 200 anstelle des Halbspiegels 205 einen Strahlteiler enthalten. Die Defektdetektionsvorrichtung 200 kann den Halbspiegel 205 und den Strahlteiler nicht enthalten und kann konfiguriert sein, den gepulsten Laserstrahl B2 und den Laserstrahl B3 unabhängig voneinander abzutasten.
Die Steuervorrichtung 203 enthält beispielsweise eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und einen Festwertspeicher (ROM). Die Steuervorrichtung 203 steuert den Betrieb des gesamten Geräts, indem sie ein Programm ausführt, das z. B. im ROM oder RAM gespeichert ist. Darüber hinaus speichert die Steuervorrichtung 203 verschiedene Daten (z.B. Konstruktionsinformationen des Objekts T, Informationen, die das Detektier- und Referenzsignal betreffen, und die Einstellung der Wiederholfrequenz), die später im ROM oder RAM beschrieben werden.
Die Steuervorrichtung 203 kann integral mit der gepulsten Laserbestrahlungsvorrichtung 201 oder der Detektionsvorrichtung 202 ausgebildet sein. Ferner kann die Steuervorrichtung 203 so konfiguriert sein, dass sie den Galvano-Spiegel 204 steuert. Die Defektdetektionsvorrichtung 200 kann die Steuervorrichtung 203 nicht enthalten. Anstelle der automatischen Steuerung durch die Steuervorrichtung 203 kann der Benutzer die Vorrichtung beispielsweise manuell bedienen.
(Defektdetektionsverfahren)
Das Defektdetektionsverfahren gemäß einigen Ausführungsformen wird nun beschrieben. Das im Folgenden beschriebene Defektdetektionsverfahren kann automatisch durch den Steuerprozess der Steuervorrichtung 203 ausgeführt werden, oder einige Vorgänge können manuell durch den Benutzer anstelle der Steuervorrichtung 203 ausgeführt werden. Das Defektdetektionsverfahren gemäß einer Ausführungsform wird zum Beispiel bei der additiven Fertigung im Pulverbett (AM) angewendet. Das Defektdetektionsverfahren kann jedoch auch auf ein Objekt angewandt werden, das durch ein anderes Verfahren wie das LMD-Verfahren hergestellt wurde.
2 ist ein Diagramm zur Beschreibung des Prinzips des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform. 3 ist ein Diagramm zur Beschreibung des Prinzips des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform. 4 ist ein Diagramm zur Beschreibung des Prinzips des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform. 5 ist ein Flussdiagramm des Vorgangs des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform.
Hier wird ein Defektdetektionsverfahren beschrieben, das zum Detektieren von Defekten mit einer festen Detektionstiefe geeignet ist. Zum Beispiel kann die Tiefe, in der unklar ist, ob ein interner Defekt auftritt, aber ein interner Defekt wahrscheinlich ist, wie z.B. eine Klebeschnittstelle zwischen verschiedenen Materialien, aus Konstruktionsinformationen abgeleitet werden. In einem solchen Fall kann, wie später beschrieben wird, die Defektdetektion durchgeführt werden, indem die Detektionstiefe auf eine Tiefe eingestellt wird, in der ein interner Defekt wahrscheinlich auftritt.
Wie in 5 gezeigt, wird bei dem Defektdetektionsverfahren gemäß einer Ausführungsform die Wiederholfrequenz des gepulsten Laserstrahls B2 eingestellt (Schritt S1). Diese Einstellung kann vom Benutzer auf der Grundlage seines Wissens oder von der Steuervorrichtung 203 auf der Grundlage der Konstruktionsinformationen vorgenommen werden.
Konkret wird die Wiederholfrequenz des gepulsten Laserstrahls B2 so eingestellt, dass sie einer Frequenz mit einer halben Wellenlänge entspricht, die gleich der Tiefe von der Oberfläche des Objekts T bis zu einem zu detektierenden internen Defekt ist (Detektionstiefe, bei der ein interner Defekt auftreten kann). Zum Beispiel kann die Wiederholfrequenz so eingestellt werden, dass sie einer Frequenz mit einer halben Wellenlänge entspricht, die gleich dem Abstand d zur Position des internen Defekts in 3 ist. Der Ausdruck „entsprechend“ bedeutet, dass die Einstellung auf diese Frequenz oder auf eine Frequenz erfolgt, bei der Messdefekt berücksichtigt werden.
Hier tritt die Resonanz, die eine Bedingung für das Detektieren eines internen Defekts ist, auf, wenn die Tiefe zum internen Defekt ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der Wiederholfrequenz des gepulsten Laserstrahls B2 ist. Aus diesem Grund kann die Wiederholfrequenz auf der Grundlage eines ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge anstelle der halben Wellenlänge eingestellt werden. Wenn jedoch ein kleiner interner Defekt in der Oberflächenschicht detektiert wird, ist es im Hinblick auf die Genauigkeit geeignet, mit einer Wiederholfrequenz zu messen, deren halbe Wellenlänge dem Abstand des internen Defekts entspricht, wie oben beschrieben.
Dann wird ein Referenzsignal erfasst, das die Schwingung der Oberfläche des Objekts T anzeigt, die erhalten wird, wenn der gepulste Laserstrahl B2 an einer Position emittiert wird, an der schätzungsweise kein interner Defekt direkt darunter präsentiert ist (Schritt S2). Wie in 2 gezeigt, wird das Objekt T mit dem gepulsten Laserstrahl B2 bestrahlt, um kontinuierlich Ultraschallwellen in dem Objekt T zu erzeugen. Die Schwingung der Oberfläche des Objekts T, die auf den Ultraschallwellen basiert, wird von der Detektionsvorrichtung 202 gemessen. So kann das Referenzsignal erfasst werden. Der Laserstrahl B3 wird für die Messung verwendet. Vorzugsweise werden der gepulste Laserstrahl B2 und der Laserstrahl B3 an der gleichen Position oder an benachbarten Positionen emittiert.
Anschließend wird ein Detektionssignal der Schwingung der Oberfläche des Objekts erfasst (Schritt S3). Konkret wird das Objekt T mit dem gepulsten Laserstrahl B2 an einer Position bestrahlt, an der detektiert werden soll, ob direkt darunter ein interner Defekt vorhanden ist (eine Position, an der ein interner Defekt wahrscheinlich präsentiert wird), um kontinuierlich Ultraschallwellen im Objekt T zu erzeugen. Die Schwingung der Oberfläche des Objekts T auf der Grundlage der Ultraschallwellen wird von der Detektionsvorrichtung 202 gemessen. So kann das Detektionssignal erfasst werden. Das Verfahren zum Erfassen des Referenzsignals und das Verfahren zum Erfassen des Detektionssignals sind im Wesentlichen gleich, nur die Position ist unterschiedlich.
Dann werden das in Schritt S2 erhaltene Referenzsignal und das in Schritt S3 erhaltene Detektionssignal verglichen (Schritt S4). Zum Beispiel werden, wie in 4 gezeigt, die Wellenform, die das Referenzsignal anzeigt (Wellenform dargestellt durch die gestrichelte Linie) und die Wellenform, die das Detektionssignal anzeigt (Wellenform dargestellt durch die durchgezogene Linie), verglichen. Da das Referenzsignal und das Detektionssignal in der Phase des Vergleichs verwendet werden, kann die Reihenfolge der Schritte S2 und S3 umgekehrt werden.
Es wird festgestellt, ob beim Vergleich zwischen dem Referenzsignal und dem Detektionssignal eine Signalverstärkung vorliegt (Schritt S5). Wenn zwischen dem internen Defekt und der Oberfläche eine Resonanz auftritt, wird die durch die Ultraschallwellen verursachte Schwingung der Oberfläche des Objekts T größer, als wenn die Resonanz nicht auftritt. Wenn also beispielsweise die Amplitude des Detektionssignals größer ist als die Amplitude des Referenzsignals, ist die Wahrscheinlichkeit einer Resonanz hoch. Die Amplitude des Detektionssignals und die Amplitude des Referenzsignals können als die Amplitude der Schwingung interpretiert werden.
Es ist jedoch möglich, dass eine geringe Differenz zwischen den beiden Signalen einen Detektionsdefekt darstellt. Daher kann zum Beispiel festgestellt werden, dass eine Signalverstärkung vorliegt, wenn die Amplitude des Detektionssignals um einen vorbestimmten Betrag oder ein vorbestimmtes Verhältnis oder mehr größer ist als die Amplitude des Referenzsignals. Der vorbestimmte Betrag kann beispielsweise auf 0,1 gesetzt werden, wobei der Amplitudenwert des Referenzsignals 1 ist. Das vorgegebene Verhältnis kann z. B. auf 10 % des Referenzsignals festgelegt werden. Diese Unterscheidungskriterien dienen lediglich der Veranschaulichung und können nach Bedarf geändert werden.
Wenn festgestellt wird, dass es eine Signalverstärkung gibt (Schritt S5; Ja), wird angenommen, dass es eine Resonanz der Ultraschallwellen gibt, so dass festgestellt wird, dass ein interner Defekt vorliegt (Schritt S6). Wird hingegen festgestellt, dass keine Signalverstärkung vorliegt (Schritt S5; Nein), wird ermittelt, ob eine Endbedingung erfüllt ist (Schritt S7).
Die Endbedingung ist z.B., ob die Defektdetektion über den zu detektierenden Bereich (z.B. die gesamte Fläche der Schicht) durchgeführt wurde. Wird festgestellt, dass die Endbedingung erfüllt ist (Schritt S7; Ja), wird davon ausgegangen, dass keine Resonanz der Ultraschallwellen vorliegt, so dass festgestellt wird, dass kein interner Defekt vorhanden ist (Schritt S8). Wird hingegen festgestellt, dass die Endbedingung nicht erfüllt ist (Schritt S7; Nein), kehrt das Verfahren zu Schritt S3 zurück, wobei die Bestrahlungspositionen des gepulsten Laserstrahls B2 und des Laserstrahls B3 verschoben werden.
In dem in 5 dargestellten Beispiel wird der Prozess sofort beendet, sobald festgestellt wird, dass ein interner Defekt vorliegt (Schritt S6). Daher endet der Prozess, wenn der erste interne Defekt gefunden wird. Das Defektdetektionsverfahren ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So kann der Prozess beispielsweise beendet werden, nachdem das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts in dem zu detektierenden Bereich festgestellt wurde. In dem in 5 gezeigten Beispiel wird das Verfahren sofort beendet, wenn festgestellt wird, dass kein interner Defekt vorliegt (Schritt S8). Wenn also die Defektdetektion für den zu detektierenden Bereich abgeschlossen ist, wird der Prozess beendet. Das Defektdetektionsverfahren ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Zum Beispiel kann der Prozess warten, bis die nächste Schicht durch Drucken gebildet wird, und nachdem die nächste Schicht gebildet wurde, kann der Prozess zu Schritt S3 zurückkehren, um den gleichen Prozess wie oben für die neue Schicht zu starten.
Wie oben beschrieben, wird in dem Defektdetektionsverfahren gemäß einer Ausführungsform das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts entsprechend dem Vergleichsergebnis in Schritt S5 detektiert. Ferner wird bei dem Defektdetektionsverfahren gemäß einer Ausführungsform ein interner Defekt auf der Grundlage des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Resonanz der Ultraschallwellen, die zwischen der Oberfläche des Objekts T und dem internen Defekt auftreten, detektiert. Bei diesem Verfahren kann die ebene Position des internen Defekts auf der Grundlage der Bestrahlungsposition des gepulsten Laserstrahls B2 beim Auftreten der Resonanz erfasst werden. Die Tiefenposition des internen Defekts kann auch aus dem eingestellten Wert der Wiederholfrequenz berechnet werden, obwohl sie bekannt ist. Wenn also festgestellt wird, dass ein interner Defekt vorliegt, kann auch die Position des internen Defekts erfasst werden.
Als nächstes wird das Defektdetektionsverfahren, das zur Identifizierung der Tiefenposition des internen Defekts geeignet ist, unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben. 6 ist ein Diagramm zur Beschreibung des Prinzips des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform. 7 ist ein Flussdiagramm des Vorgangs des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform.
Wie in 7 gezeigt, wird bei dem Defektdetektionsverfahren gemäß einer Ausführungsform die Wiederholfrequenz des gepulsten Laserstrahls B2 eingestellt (Schritt S11). Die zu diesem Zeitpunkt eingestellte Wiederholfrequenz ist ein Anfangswert für den Frequenzdurchlauf.
Die Wiederholfrequenz kann innerhalb eines Frequenzbereichs eingestellt werden, dessen Wellenlänge gleich oder kleiner als eine halbe Wellenlänge ist, die dem zu detektierenden Tiefenbereich des Objekts T entspricht. Dies liegt daran, dass das Defektdetektionsverfahren gemäß einer Ausführungsform einen Frequenzsweep innerhalb eines solchen Bereichs durchführt. Auf diese Weise kann der Abfall bei der Einstellung der Wiederholfrequenz reduziert werden.
Der „zu detektierende Tiefenbereich“ ist der Bereich von der Oberfläche bis zu einer vorbestimmten Tiefe und kann als die Dicke der Oberflächenschicht, einschließlich einer oder mehrerer Schichten von der Oberfläche, interpretiert werden. Der Ausdruck „entsprechend“ bedeutet, dass die Länge ausgehend von der Dicke der Oberflächenschicht unter Berücksichtigung von Messdefektn erhöht oder verringert werden kann. Dieses Einstellverfahren für die Wiederholfrequenz kann in dem in 5 dargestellten Schritt S1 oder in dem in 8 dargestellten Schritt S22 angewendet werden, der später beschrieben wird.
Ein Detektionssignal der Schwingung der Oberfläche des Objekts T wird erfasst, während die Wiederholfrequenz des gepulsten Laserstrahls B2 gewobbelt wird (Schritt S12). Das Detektionssignal kann ein Teil der Signaldaten sein, wenn die Wiederholfrequenz kontinuierlich geändert wird, oder es kann eine Vielzahl von Teilen der Signaldaten für jeden Änderungsprozess sein, wenn die Wiederholfrequenz diskret geändert wird. In dem in 6 gezeigten Beispiel werden beispielsweise mehrere Detektionssignale (Detektionssignale 1 bis 5) überlagert, die erhalten werden, wenn die Wiederholungsfrequenz um einen vorgegebenen Betrag geändert wird.
Hier wird auf das in Schritt S12 erhaltene Detektionssignal Bezug genommen (Schritt S13). Ferner wird ermittelt, ob die durch das bezogene Detektionssignal angezeigte Amplitude einen Maximalwert aufweist, der der Änderung der Wiederholfrequenz entspricht (Schritt S14).
In 6 geben die Detektionssignale 1 bis 5 beispielsweise die Detektionssignale in der Reihenfolge der Änderung der Wiederholungsfrequenz an. Von diesen Signalen hat das Detektionssignal 3 während der Änderung eine größere Amplitude als die vorhergehenden und nachfolgenden Detektionssignale 1, 2, 4 und 5. In diesem Fall hat die durch das Detektionssignal 3 angezeigte Amplitude einen Maximalwert, der der Änderung der Wiederholfrequenz entspricht. Bei dem Amplitudenvergleich kann festgestellt werden, ob die Amplitude maximal ist, wenn ein Anstieg um einen vorbestimmten Betrag oder mehr oder um ein vorbestimmtes Verhältnis oder mehr in Bezug auf die Amplituden der vorhergehenden und der folgenden Wiederholungsfrequenz vorliegt. Der vorbestimmte Betrag und das vorbestimmte Verhältnis können in der gleichen Weise berücksichtigt werden, wie sie in Schritt S5 von 5 beschrieben sind.
Wenn festgestellt wird, dass es einen Maximalwert gibt (Schritt S14; Ja), wird angenommen, dass es eine Resonanz der Ultraschallwellen gibt, also wird festgestellt, dass es einen internen Defekt gibt (Schritt S15). In diesem Fall wird die Position des internen Defekts ermittelt (Schritt S16). Konkret wird die Tiefenposition des internen Defekts anhand der Wiederholfrequenz identifiziert, die dem Maximalwert entspricht, und die Ebenenposition des internen Defekts anhand der Bestrahlungsposition des gepulsten Laserstrahls B2.
Umgekehrt wird, wenn festgestellt wird, dass es keinen Maximalwert gibt (Schritt S14; No), bestimmt, ob eine Endbedingung erfüllt ist (Schritt S17). Die Endbedingung ist z.B., ob die Defektdetektion über den zu detektierenden Bereich (z.B. die gesamte Fläche der Schicht) durchgeführt wurde. Wird festgestellt, dass die Endbedingung erfüllt ist (Schritt S17; Ja), wird davon ausgegangen, dass keine Resonanz der Ultraschallwellen vorhanden ist, so dass festgestellt wird, dass kein interner Defekt vorliegt (Schritt S18). Wird hingegen festgestellt, dass die Endbedingung nicht erfüllt ist (Schritt S17; Nein), kehrt das Verfahren zu Schritt S12 zurück, wobei die Bestrahlungspositionen des gepulsten Laserstrahls B2 und des Laserstrahls B3 verschoben werden.
In dem in 7 dargestellten Beispiel endet der Prozess, wenn der erste interne Defekt gefunden wird. Das Verfahren kann jedoch beispielsweise auch beendet werden, nachdem das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts in dem zu detektierenden Bereich festgestellt wurde. Ferner endet der Prozess in dem in 7 dargestellten Beispiel, wenn die Defektdetektion für den zu detektierenden Bereich abgeschlossen ist. Der Prozess kann jedoch beispielsweise warten, bis die nächste Schicht durch Drucken gebildet wird, und nachdem die nächste Schicht gebildet wurde, kann der Prozess zu Schritt S12 zurückkehren, um den gleichen Prozess wie oben für die neue Schicht neu zu starten.
Bei diesem Verfahren wird also das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts anhand der Frage detektiert, ob die durch das Detektionssignal angezeigte Amplitude einen Maximalwert aufweist, der der Änderung der Wiederholfrequenz entspricht. In diesem Fall kann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts detektiert werden, indem die Tendenz ausgenutzt wird, dass die Schwingungsamplitude bei einer Frequenz, bei der Resonanz auftritt, zunimmt. Zusätzlich kann die Tiefenposition des internen Defekts anhand der Wiederholfrequenz mit dem Maximalwert identifiziert werden. Aus der Bestrahlungsposition des gepulsten Laserstrahls B2 und der ermittelten Tiefenposition lässt sich die Position des internen Defekts ermitteln.
Als nächstes wird das Defektdetektionsverfahren, das geeignet ist, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts während des 3D-Drucks zu detektieren, unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. 8 ist ein Flussdiagramm des Vorgangs des Defektdetektionsverfahrens gemäß einer Ausführungsform.
Wie in 8 gezeigt, wird bei dem Defektdetektionsverfahren gemäß einer Ausführungsform der Abtastbereich eingestellt (Schritt S21). Die Wiederholfrequenz des gepulsten Laserstrahls B2 wird eingestellt (Schritt S22). Die zu diesem Zeitpunkt eingestellte Wiederholfrequenz ist ein Anfangswert des Frequenzsweeps.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 legt Pulver als Rohmaterial des Objekts T ein (Schritt S23). Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 beginnt die Bestrahlung mit dem Energiestrahl B1 (Schritt S24). Danach scannt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 300 den Energiestrahl B1 entsprechend den Konstruktionsinformationen.
Die Schwingung an der Messposition, an der der interne Defekt detektiert werden soll, wird gemessen (Schritt S25). Vorzugsweise wird als Messposition eine Position gewählt, die nicht mit dem Energiestrahl B1 bestrahlt wird. Da in diesem Fall das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts ohne Einfluss von Schwingungen oder Wärme während der Bearbeitung detektiert werden kann, wird die Detektionsgenauigkeit verbessert. Um die Schwingung zu detektieren, kann ein Laserinterferometer oder ein Laser-Doppler-Vibrometer zum Detektieren des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Resonanz verwendet werden, das in der Detektionsvorrichtung 202 vorgesehen ist.
Um festzustellen, ob die Detektion unter dem Einfluss der Verarbeitung steht, wird anschließend ermittelt, ob die gemessene Schwingung ausreichend klein ist (Schritt S26). Bei dieser Bestimmung kann beispielsweise als Bestimmungskriterium verwendet werden, ob die Schwingung im Objekt T gleich oder kleiner als ein Referenzwert ist. Der Referenzwert kann z.B. auf eine Schwingungsverschiebung von 5% der Amplitude der durch den gepulsten Laserstrahl B2 verursachten Schwingung festgelegt werden.
Wenn festgestellt wird, dass die Schwingung nicht ausreichend klein ist (Schritt S26; Nein), kehrt der Vorgang zu Schritt S25 zurück. Zu diesem Zeitpunkt kann eine Wartezeit vorgesehen werden, bevor zu Schritt S25 zurückgekehrt wird. Wird hingegen festgestellt, dass die Schwingung ausreichend klein ist (Schritt S26; Ja), wird das Detektionssignal erfasst (Schritt S27).
Wie oben beschrieben, können in dem Defektdetektionsverfahren gemäß einer Ausführungsform Ultraschallwellen erzeugt werden, wenn die Schwingung gleich oder kleiner als ein Referenzwert ist. Ferner kann in dem Defektdetektionsverfahren gemäß einer Ausführungsform das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts detektiert werden, nachdem gewartet wurde, bis die Schwingung gleich oder kleiner als der Referenzwert wird. Auf diese Weise kann der Detektionsdefekt reduziert werden. Das Verfahren zum Erfassen des Detektionssignals in Schritt S27 ist im Wesentlichen dasselbe wie in dem oben beschriebenen Schritt S12. Das heißt, das Detektionssignal wird erfasst, während die Wiederholungsfrequenz gewobbelt wird.
Hier wird das in Schritt S27 erhaltene Detektionssignal auf (Schritt S28) bezogen. Ferner wird bestimmt, ob die durch das bezogene Detektionssignal angezeigte Amplitude einen Maximalwert hat, der der Änderung der Wiederholfrequenz entspricht (Schritt S29). Das Verfahren zur Bestimmung des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des Maximalwerts ist im Wesentlichen dasselbe wie im oben beschriebenen Schritt S14.
Wenn festgestellt wird, dass ein Maximalwert vorhanden ist (Schritt S29; Ja), wird vermutet, dass eine Resonanz der Ultraschallwellen vorliegt, so dass festgestellt wird, dass ein interner Defekt vorliegt (Schritt S30). In diesem Fall wird die Position des internen Defekts identifiziert (Schritt S31). Das Verfahren zur Identifizierung der Position des internen Defekts ist im Grunde dasselbe wie im oben beschriebenen Schritt S16.
Umgekehrt wird, wenn festgestellt wird, dass es keinen Maximalwert gibt (Schritt S29; Nein), festgestellt, ob eine Endbedingung erfüllt ist (Schritt S32). Die Endbedingung ist z.B., ob die Defektdetektion über den zu detektierenden Bereich (z.B. die gesamte Fläche der Schicht) durchgeführt wurde. Wird festgestellt, dass die Endbedingung erfüllt ist (Schritt S32; Ja), wird davon ausgegangen, dass keine Resonanz der Ultraschallwellen vorhanden ist, so dass festgestellt wird, dass kein interner Defekt vorliegt (Schritt S33). Wird hingegen festgestellt, dass die Endbedingung nicht erfüllt ist (Schritt S32; Nein), kehrt das Verfahren zu Schritt S25 zurück, wobei die Bestrahlungspositionen des gepulsten Laserstrahls B2 und des Laserstrahls B3 verschoben werden.
In dem in 8 dargestellten Beispiel endet der Prozess, wenn der erste interne Defekt gefunden wird. Das Verfahren kann jedoch beispielsweise auch beendet werden, nachdem das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts in dem zu detektierenden Bereich festgestellt wurde. Ferner endet der Prozess in dem in 8 dargestellten Beispiel, wenn die Defektdetektion für den zu detektierenden Bereich abgeschlossen ist. Der Prozess kann jedoch beispielsweise warten, bis die nächste Schicht durch Drucken gebildet wird, und nachdem die nächste Schicht gebildet wurde, kann der Prozess zum Schritt S25 zurückkehren, um den gleichen Prozess wie oben für die neue Schicht neu zu starten.
In einigen Ausführungsformen kann der interne Defekt durch Scannen des gepulsten Laserstrahls B2 detektiert werden, so dass er der Trajektorie des Energiestrahls B1 folgt, wenn der 3D-Druck durch additive Fertigung durchgeführt wird. Beispielsweise kann die Bestrahlungsposition des gepulsten Laserstrahls B2 so gesteuert werden, dass er hinter der Bestrahlungsposition des Energiestrahls B1 zurückbleibt und dieser folgt. Die Abtastgeschwindigkeit des Energiestrahls B1 in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit kann jedoch schneller sein als die Abtastgeschwindigkeit des gepulsten Laserstrahls B2 in Abhängigkeit von der Detektionszeit des internen Defekts. Mit anderen Worten, der gepulste Laserstrahl B2 muss nicht mit der gleichen Abtastgeschwindigkeit wie der Energiestrahl B1 abgetastet werden.
Die Abtastung des Energiestrahls B1 kann so lange erfolgen, bis die Defektdetektion mit dem gepulsten Laserstrahl B2 abgeschlossen ist, oder die Abtastgeschwindigkeit kann verlangsamt werden. Mit einer solchen Steuerung kann, obwohl sich die Druckzeit verlängert, der Zeitverlust verringert werden, anstatt dass aufgrund eines internen Defekts, der nach dem 3D-Druck gefunden wird, umfangreiche Nacharbeiten vorgenommen werden müssen. Das spezifische Tracking-Steuerverfahren kann entsprechend der Zeit, die zum Detektieren eines internen Defekts benötigt wird, angepasst werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts auf dem Objekt T während des 3D-Drucks durch additive Fertigung detektiert werden. Beim 3D-Druck durch additive Fertigung kann ein Defekt, selbst wenn er während des 3D-Drucks auftritt, erst bei der Qualitätsinspektion nach dem 3D-Druck entdeckt werden. Wird der interne Defekt erst nach dem 3D-Druck entdeckt, besteht die Gefahr, dass umfangreiche Nacharbeiten anfallen. Da der interne Defekt während des 3D-Drucks detektiert wird, kann dieses Risiko mit dem obigen Verfahren verringert werden.
In einigen Ausführungsformen kann ein interner Defekt in einer Oberflächenschicht innerhalb von 200 µm von der Oberfläche des Objekts T detektiert werden. Es ist vorteilhaft, einen solchen internen Defekt zu detektieren, da es möglich ist, den Defekt nur durch eine Reparatur der Oberflächenschicht zu beheben.
In einigen Ausführungsformen kann, wenn ein interner Defekt auf dem Objekt T im Prozess des 3D-Drucks durch additive Fertigung detektiert wird, eine nächste Schicht und eine Schicht unmittelbar unter der nächsten Schicht geschmolzen werden, um den internen Defekt zu reparieren, wenn die nächste Schicht unmittelbar über dem internen Defekt gebildet wird. Der Ausdruck „Schmelzen einer nächsten Schicht und einer Schicht unmittelbar unter der nächsten Schicht“ bedeutet das Schmelzen der Schicht, die den internen Defekt enthält, zusammen mit der oberen Schicht über dem internen Defekt.
An einer Stelle, an der ein solches Schmelzen durchgeführt wird, kann das Rohmaterialpulver beispielsweise in einer größeren Menge als üblich zugeführt werden, um das Schmelzen intensiv durchzuführen (durch Erhöhung der Erhitzungszeit oder der Erhitzungstemperatur), um den internen Defekt zu reparieren. Ein solches Verfahren kann zum Beispiel nach Schritt S6, S16 oder S31 durchgeführt werden. Beispielsweise wird ein interner Defekt mit einem Durchmesser von 500 µm oder weniger durch ein solches Umschmelzen wahrscheinlich zerkleinert werden.
In einigen Ausführungsformen kann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts auf dem Objekt T jedes Mal detektiert werden, wenn eine Vielzahl von Schichten, die dem zu detektierenden Tiefenbereich im Objekt T entsprechen, gestapelt werden, wenn der 3D-Druck durch additive Fertigung durchgeführt wird. Die „Vielzahl von Schichten“ wird auf eine beliebige Anzahl, z. B. fünf Schichten, festgelegt. Die Anzahl der Schichten kann gegen Ende des Druckvorgangs auf eine geringere Anzahl als üblich (z. B. eine Schicht) geändert werden, um gezieltere Inspektionen zu ermöglichen. Mit anderen Worten, ein solches Defektdetektionsverfahren muss nicht unbedingt einen internen Defekt in jeder Schicht während des Stapelvorgangs detektieren.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern enthält Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungsformen und Ausführungsformen, die aus Kombinationen dieser Ausführungsformen bestehen.
(Schlussfolgerung)
Der in den obigen Ausführungsformen beschriebene Inhalt kann beispielsweise wie folgt verstanden werden.
(1) Ein Defektdetektionsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält: einen Schritt des Bestrahlens eines Objekts (T) mit einem gepulsten Laserstrahl (B2), um kontinuierlich Ultraschallwellen in dem Objekt (T) zu erzeugen; und einen Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines internen Defekts des Objekts (T) auf der Grundlage des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Resonanz der Ultraschallwellen, die zwischen einer Oberfläche des Objekts (T) und dem internen Defekt auftreten.
Mit dem obigen Verfahren (1) wird ein interner Defekt auf der Grundlage des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Resonanz der Ultraschallwellen detektiert, die zwischen der Oberfläche des Objekts (T) und dem internen Defekt auftreten. So kann ein interner Defekt auch dann detektiert werden, wenn er sich in einer Oberflächenschicht des Objekts (T) befindet. Außerdem ermöglicht die Verwendung des gepulsten Laserstrahls (B2) die Erzeugung von Ultraschallwellen mit einem kleineren Punktdurchmesser als bei der Erzeugung von Ultraschallwellen in einem Objekt mit einer Sonde. Dadurch kann ein interner Defekt unabhängig davon detektiert werden, ob die Messebene von der Bestrahlungsrichtung aus gesehen ein Punkt, eine Linie oder eine Ebene ist. Es ist daher geeignet, einen internen Defekt im 3D-gedruckten Objekt (T) zu detektieren.
(2) In einigen Ausführungsformen enthält das obige Verfahren (1) einen Schritt des Detektierens von Schwingungen auf der Oberfläche des Objekts (T) auf der Grundlage der Ultraschallwellen durch ein Laserinterferometer oder ein Laserdopplervibrometer, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Resonanz der Ultraschallwellen zu detektieren.
Mit dem obigen Verfahren (2) kann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts berührungslos detektiert werden, da Ultraschallwellen mit dem gepulsten Laserstrahl (B2) erzeugt werden und Schwingungen auf der Basis der Ultraschallwellen durch das Laserinterferometer oder das Laserdopplervibrometer detektiert werden.
(3) In einigen Ausführungsformen enthält der Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins der Resonanz in dem obigen Verfahren (2) die Bestrahlung des Objekts (T) mit einem Laserstrahl (B3) des Laserinterferometers in der gleichen Position wie die Bestrahlung mit dem gepulsten Laserstrahl (B2).
Da bei dem obigen Verfahren (3) das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Resonanz durch Bestrahlung derselben Position mit dem Laserstrahl (B3) wie bei der Bestrahlung mit dem gepulsten Laserstrahl (B2) detektiert wird, kann die Genauigkeit im Vergleich zu dem Fall verbessert werden, in dem die beiden Bestrahlungspositionen für die Messung verschoben sind.
(4) In einigen Ausführungsformen wird in einem der obigen Verfahren (1) bis (3) das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des internen Defekts auf dem Objekt (T) im Prozess des 3D-Drucks durch additive Fertigung detektiert.
Mit dem obigen Verfahren (4) kann, da der interne Defekt im Prozess des 3D-Drucks detektiert wird, das Risiko einer umfangreichen Nacharbeit reduziert werden.
(5) In einigen Ausführungsformen wird in einem der obigen Verfahren (1) bis (4) der interne Defekt in einer Oberflächenschicht innerhalb von 200 µm von der Oberfläche des Objekts (T) detektiert.
Mit dem obigen Verfahren (5) wird der interne Defekt in der Oberflächenschicht innerhalb von 200 µm von der Oberfläche detektiert. Es ist vorteilhaft, einen solchen internen Defekt zu detektieren, weil es möglich ist, den Defekt nur durch eine Reparatur der Oberflächenschicht zu behandeln.
(6) In einigen Ausführungsformen enthält das Verfahren in einem der obigen Verfahren (1) bis (5) einen Schritt, in dem, wenn der interne Defekt auf dem Objekt (T) im Prozess des 3D-Drucks durch additive Fertigung detektiert wird, eine nächste Schicht und eine Schicht unmittelbar unter der nächsten Schicht geschmolzen werden, um den internen Defekt zu reparieren, wenn die nächste Schicht unmittelbar über dem internen Defekt gebildet wird.
Es ist schwierig, einen internen Defekt zu reparieren, der tief unter der Oberfläche liegt. Bei dem obigen Verfahren (6) wird der interne Defekt bei der Bildung der nächsten Schicht repariert, d.h. die Reparatur wird durchgeführt, bevor der interne Defekt mit dem Fortschreiten des Stapelns von der Oberfläche entfernt ist. Auf diese Weise kann der Defekt in geeigneter Weise repariert werden.
(7) In einigen Ausführungsformen enthält das Verfahren in einem der obigen Verfahren (1) bis (6) einen Schritt, bei dem, wenn der interne Defekt detektiert wird, die Tiefenposition des internen Defekts auf der Grundlage der Wiederholungsfrequenz des gepulsten Laserstrahls (B2) beim Auftreten der Resonanz identifiziert wird.
Mit dem obigen Verfahren (7) kann die Tiefenposition des internen Defekts identifiziert werden. Die Position des internen Defekts kann aus der Bestrahlungsposition des gepulsten Laserstrahls (B2) und der identifizierten Tiefenposition ermittelt werden.
(8) In einigen Ausführungsformen enthält das Verfahren in einem der obigen Verfahren (1) bis (7) einen Schritt des Einstellens der Wiederholungsfrequenz des gepulsten Laserstrahls (B2), so dass sie einer Frequenz mit einer halben Wellenlänge entspricht, die gleich der Tiefe von der Oberfläche des Objekts (T) bis zu dem zu detektierenden internen Defekt ist.
Die Resonanz tritt auf, wenn die Tiefe zum internen Defekt ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der Wiederholfrequenz des gepulsten Laserstrahls (B2) ist. Beim Detektieren eines kleinen internen Defekts in der Oberflächenschicht ist es jedoch im Hinblick auf die Genauigkeit geeignet, mit einer Wiederholfrequenz zu messen, deren halbe Wellenlänge dem Abstand des internen Defekts entspricht. In dieser Hinsicht ist das obige Verfahren (8) geeignet, einen kleinen internen Defekt in der Schichtoberfläche zu detektieren, da die Wiederholfrequenz des gepulsten Laserstrahls (B2) auf eine solche Frequenz eingestellt ist.
(9) In einigen Ausführungsformen enthält das Verfahren in einem der obigen Verfahren (1) bis (8): einen Schritt des Erfassens eines Detektionssignals einer Schwingung auf der Oberfläche des Objekts (T); einen Schritt des Vergleichens des Detektionssignals mit einem Referenzsignal, das eine Schwingung auf der Oberfläche des Objekts (T) anzeigt, die erhalten wird, wenn der gepulste Laserstrahl (B2) in einer Position angewendet wird, in der angenommen wird, dass kein interner Defekt vorhanden ist; und einen Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des internen Defekts gemäß einem Vergleichsergebnis des Vergleichsschritts.
Das obige Verfahren (9) eignet sich zum Detektieren eines Defekts mit einer festen Detektionstiefe. Zum Beispiel kann die Tiefe, in der es unklar ist, ob ein interner Defekt auftritt, aber ein interner Defekt wahrscheinlich ist, wie z.B. eine Klebeschnittstelle zwischen verschiedenen Materialien, aus Konstruktionsinformationen abgeleitet werden. In einem solchen Fall kann das obige Verfahren angewandt werden, indem die Detektionstiefe auf eine Tiefe eingestellt wird, in der ein interner Defekt wahrscheinlich auftritt.
(10) In einigen Ausführungsformen enthält das Verfahren in einem der obigen Verfahren (1) bis (9): einen Schritt des Erfassens eines Detektionssignals der Schwingung auf der Oberfläche des Objekts (T), während die Wiederholungsfrequenz des gepulsten Laserstrahls (B2) gewobbelt wird; und einen Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des internen Defekts auf der Basis, ob eine durch das Detektionssignal angezeigte Amplitude einen Maximalwert in Abhängigkeit von einer Änderung der Wiederholungsfrequenz hat.
Mit dem obigen Verfahren (10) wird das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts auf der Grundlage detektiert, ob die durch das Detektionssignal angezeigte Amplitude einen Maximalwert hat, der der Änderung der Wiederholungsfrequenz entspricht. In diesem Fall kann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts detektiert werden, indem die Tendenz ausgenutzt wird, dass die Amplitude der Schwingung bei einer Frequenz, bei der Resonanz auftritt, zunimmt.
(11) In einigen Ausführungsformen enthält das obige Verfahren (10) einen Schritt des Identifizierens der Tiefenposition des internen Defekts auf der Grundlage der Wiederholungsfrequenz, die dem Maximalwert entspricht.
Mit dem obigen Verfahren (11) kann die Tiefenposition des internen Defekts auf der Grundlage der Wiederholungsfrequenz identifiziert werden, die dem Maximalwert entspricht, der eine hohe Wahrscheinlichkeit von Resonanz anzeigt.
(12) In einigen Ausführungsformen enthält das Verfahren in einem der obigen Verfahren (1) bis (11) einen Schritt des Einstellens der Wiederholungsfrequenz des gepulsten Laserstrahls (B2) innerhalb eines Frequenzbereichs mit einer Wellenlänge, die gleich oder kleiner als eine halbe Wellenlänge ist, die einem Tiefenbereich entspricht, der in dem Objekt (T) detektiert werden soll.
Da bei dem obigen Verfahren (12) die Wiederholfrequenz des gepulsten Laserstrahls (B2) innerhalb eines Frequenzbereichs eingestellt wird, der dem Tiefenbereich entspricht, der in dem Objekt (T) zu detektieren ist, für das das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts detektiert wird, kann der Abfall bei der Einstellung der Wiederholfrequenz reduziert werden.
(13) In einigen Ausführungsformen enthält das Verfahren in einem der obigen Verfahren (1) bis (12) einen Schritt des Bestrahlens des Objekts (T) mit einem Energiestrahl (B1) zum 3D-Drucken; und einen Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des internen Defekts auf dem Objekt (T) in einer Position, die nicht mit dem Energiestrahl (B 1) bestrahlt wird.
Mit dem obigen Verfahren (13) wird die Detektionsgenauigkeit verbessert, da das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts ohne Einfluss der Bearbeitung detektiert werden kann.
(14) In einigen Ausführungsformen enthält das Verfahren in einem der obigen Verfahren (1) bis (13) einen Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des internen Defekts auf dem Objekt (T) jedes Mal, wenn eine Vielzahl von Schichten, die einem zu detektierenden Tiefenbereich im Objekt (T) entsprechen, gestapelt werden, wenn der 3D-Druck durch additive Fertigung durchgeführt wird.
Mit dem obigen Verfahren (14) kann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts zu einem geeigneten Zeitpunkt im Prozess des 3D-Drucks detektiert werden. Da die Detektion nicht für jede Schicht während des Drucks durchgeführt wird, kann die Detektionszeit verkürzt werden.
(15) In einigen Ausführungsformen wird in einem der obigen Verfahren (1) bis (14) der Schritt des Erzeugens der Ultraschallwellen durchgeführt, wenn die Schwingung des Objekts (T) gleich oder kleiner als ein Referenzwert ist.
Bei der Durchführung der Defektdetektion können Schwingungen während der Verarbeitung des 3D-Drucks oder Schwingungen aufgrund anderer Faktoren auftreten. Eine solche Schwingung erhöht den Defekt beim Detektieren eines internen Defekts. Da die Detektion des internen Defekts nach Abklingen der Schwingung erfolgt, kann der Detektionsdefekt mit dem obigen Verfahren (14) reduziert werden.
(16) In einigen Ausführungsformen wird in einem der obigen Verfahren (1) bis (15) der interne Defekt durch Scannen des gepulsten Laserstrahls (B2) detektiert, um der Trajektorie eines Energiestrahls (B1) zu folgen, wenn der 3D-Druck durch additive Fertigung durchgeführt wird.
Mit dem obigen Verfahren (16) kann das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts während des 3D-Drucks detektiert werden.
(17) Eine Defektdetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält: eine Gepulster-Laser-Bestrahlungsvorrichtung (201), die konfiguriert ist, ein Objekt (T) mit einem gepulsten Laserstrahl (B2) zu bestrahlen, um kontinuierlich Ultraschallwellen in dem Objekt (T) zu erzeugen; und eine Detektionsvorrichtung (202), die konfiguriert ist, eine Schwingung auf einer Oberfläche des Objekts (T) basierend auf den Ultraschallwellen zu detektieren, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Resonanz der Ultraschallwellen zu detektieren und das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts des Objekts (T) auf der Basis des Vorhandenseins oder der Abwesenheit der Resonanz der Ultraschallwellen zu detektieren, die zwischen der Oberfläche des Objekts (T) und dem internen Defekt auftritt.
Mit der obigen Konfiguration (17) wird ein interner Defekt auf der Grundlage des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins der Resonanz der Ultraschallwellen, die zwischen der Oberfläche des Objekts (T) und dem internen Defekt auftreten, detektiert. So kann ein interner Defekt auch dann detektiert werden, wenn er sich in einer Oberflächenschicht des Objekts (T) befindet. Außerdem ermöglicht die Verwendung des gepulsten Laserstrahls (B2) die Erzeugung von Ultraschallwellen mit einem kleineren Punktdurchmesser als bei der Erzeugung von Ultraschallwellen in einem Objekt mit einer Sonde. Dadurch kann ein interner Defekt unabhängig davon detektiert werden, ob die Messebene aus der Bestrahlungsrichtung gesehen ein Punkt, eine Linie oder eine Ebene ist. Es eignet sich daher zum Detektieren eines internen Defekts in dem 3D-gedruckten Objekt (T).
(18) Eine Vorrichtung zur additiven Fertigung (300) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält: eine Bestrahlungsvorrichtung (100) zum 3D-Drucken eines Objekts (T); und die oben (17) beschriebene Defektdetektionsvorrichtung (200).
Mit der obigen Konfiguration (18) kann das Objekt (T) 3D-gedruckt werden, während das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts detektiert wird.
Bezugszeichenliste

100: Bestrahlungsvorrichtung
101, 204: Galvano-Spiegel
200: Defektdetektionsvorrichtung
201: Gepulster-Laser-Bestrahlungsvorrichtung
202: Detektionsvorrichtung
203: Steuervorrichtung
205: Halbspiegel
300: Vorrichtung zur additiven Fertigung
B1: Energiestrahl
B2: Gepulster Laserstrahl
B3: Laserstrahl
T: Objekt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 201973796 A [0003]

Claims

Ein Defektdetektionsverfahren, umfassend: einen Schritt des Bestrahlens eines Objekts mit einem gepulsten Laserstrahl, um kontinuierlich Ultraschallwellen in dem Objekt zu erzeugen; und einen Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines internen Defekts des Objekts auf der Grundlage des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von Resonanz der Ultraschallwellen, die zwischen einer Oberfläche des Objekts und dem internen Defekt auftreten.
Das Defektdetektionsverfahren nach Anspruch 1, umfassend einen Schritt des Detektierens von Vibrationen auf der Oberfläche des Objekts auf der Grundlage der Ultraschallwellen durch ein Laserinterferometer oder ein Laserdopplervibrometer, um das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Resonanz der Ultraschallwellen zu detektieren.
Das Defektdetektionsverfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins der Resonanz die Bestrahlung des Objekts mit einem Laserstrahl des Laserinterferometers in derselben Position wie die Bestrahlung mit dem gepulsten Laserstrahl umfasst.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein des internen Defekts auf dem Objekt im Prozess des 3D-Drucks durch additive Fertigung detektiert wird.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der interne Defekt in einer Oberflächenschicht innerhalb von 200 µm von der Oberfläche des Objekts detektiert wird.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen Schritt, bei dem, wenn der interne Defekt auf dem Objekt im Prozess des 3D-Drucks durch additive Fertigung detektiert wird, eine nächste Schicht und eine Schicht unmittelbar unter der nächsten Schicht geschmolzen werden, um den internen Defekt zu reparieren, wenn die nächste Schicht unmittelbar über dem internen Defekt gebildet wird.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend einen Schritt, bei dem, wenn der interne Defekt detektiert wird, eine Tiefenposition des internen Defekts auf der Grundlage einer Wiederholungsfrequenz des gepulsten Laserstrahls identifiziert wird, wenn die Resonanz auftritt.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend einen Schritt, bei dem eine Wiederholungsfrequenz des gepulsten Laserstrahls so eingestellt wird, dass sie einer Frequenz mit einer halben Wellenlänge entspricht, die gleich einer Tiefe von der Oberfläche des Objekts bis zum zu detektierenden internen Defekt ist.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: einen Schritt des Erfassens eines Detektionssignals von Vibrationen auf der Oberfläche des Objekts; einen Schritt des Vergleichens des Detektionssignals mit einem Referenzsignal, das eine Vibration auf der Oberfläche des Objekts anzeigt, das erhalten wird, wenn der gepulste Laserstrahl in einer Position angewandt wird, in der angenommen wird, dass es keinen internen Defekt gibt; und einen Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des internen Defekts gemäß einem Vergleichsergebnis des Vergleichsschritts.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend: einen Schritt des Erfassens eines Detektionssignals einer Vibration auf der Oberfläche des Objekts, während eine Wiederholungsfrequenz des gepulsten Laserstrahls abgefahren wird, und einen Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des internen Defekts auf der Basis, ob eine durch das Detektionssignal angezeigte Amplitude einen Maximalwert in Abhängigkeit von einer Änderung der Wiederholungsfrequenz aufweist.
Das Defektdetektionsverfahren nach Anspruch 10, umfassend einen Schritt des Identifizierens einer Tiefenposition des internen Defekts auf der Grundlage der Wiederholungsfrequenz, die dem Maximalwert entspricht.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, umfassend einen Schritt des Einstellens einer Wiederholungsfrequenz des gepulsten Laserstrahls innerhalb eines Frequenzbereichs mit einer Wellenlänge, die gleich oder kleiner als eine halbe Wellenlänge ist, die einem Tiefenbereich entspricht, der in dem Objekt detektiert werden soll.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend: einen Schritt des Bestrahlens des Objekts mit einem Energiestrahl für den 3D-Druck; und einen Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des internen Defekts auf dem Objekt in einer Position, die nicht mit dem Energiestrahl bestrahlt wird.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend einen Schritt des Detektierens des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des internen Defekts auf dem Objekt jedes Mal, wenn eine Vielzahl von Schichten, die einem zu detektierenden Tiefenbereich in dem Objekt entsprechen, gestapelt werden, wenn der 3D-Druck durch additive Fertigung durchgeführt wird.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Schritt des Erzeugens der Ultraschallwellen durchgeführt wird, wenn die Vibration des Objekts gleich oder kleiner als ein Referenzwert ist.
Das Defektdetektionsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der interne Defekt durch Abtasten des gepulsten Laserstrahls detektiert wird, um einer Trajektorie eines Energiestrahls zu folgen, wenn der 3D-Druck durch additive Fertigung durchgeführt wird.
Eine Defektdetektionsvorrichtung, umfassend: eine Gepulster-Laser-Bestrahlungsvorrichtung, die konfiguriert ist, ein Objekt mit einem gepulsten Laserstrahl zu bestrahlen, um kontinuierlich Ultraschallwellen in dem Objekt zu erzeugen; und eine Detektionsvorrichtung, die konfiguriert ist, Vibrationen auf einer Oberfläche des Objekts basierend auf den Ultraschallwellen zu detektieren, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Resonanz der Ultraschallwellen zu detektieren und das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines internen Defekts des Objekts auf der Basis des Vorhandenseins oder der Abwesenheit der Resonanz der Ultraschallwellen, die zwischen der Oberfläche des Objekts und dem internen Defekt auftritt, zu detektieren.
Eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, umfassend: eine Bestrahlungsvorrichtung zum 3D-Drucken eines Objekts; und die Defektdetektionsvorrichtung nach Anspruch 17.