EP3843919A1 - Verfahren zum bereitstellen von daten für eine adaptive temperaturregelung - Google Patents
Verfahren zum bereitstellen von daten für eine adaptive temperaturregelungInfo
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- EP3843919A1 EP3843919A1 EP19801701.4A EP19801701A EP3843919A1 EP 3843919 A1 EP3843919 A1 EP 3843919A1 EP 19801701 A EP19801701 A EP 19801701A EP 3843919 A1 EP3843919 A1 EP 3843919A1
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Definitions
- the present invention relates to a method for providing data for, in particular adaptive, temperature control in the additive manufacturing of a component, preferably before the powder bed-based manufacturing. Furthermore, a device, a computer program product and a method for additive manufacturing of the component are specified, which uses the data provided.
- the component is preferably intended for use in a flow machine, preferably in the hot gas path of a gas turbine.
- the component preferably consists of a super alloy, in particular a nickel- or cobalt-based super alloy.
- the alloy can, for example, be age hardened or mixed crystal hardened.
- thermal energy and / or flow energy is generated by burning a fuel, e.g. a gas, hot gas generated converted into kinetic energy (Rotationse nergie) of a rotor.
- a fuel e.g. a gas
- hot gas generated converted into kinetic energy (Rotationse nergie) of a rotor.
- a flow channel is formed in the gas turbine, in the axial direction of which the rotor or a shaft is mounted.
- the turbine blades protrude into the flow channel. If a hot gas flows through the flow channel, the blades are subjected to a force which is converted into a torque acting on the shaft which drives the turbine rotor, the rotational energy e.g. can be used to operate a generator.
- Generative or additive manufacturing is becoming increasingly interesting due to its disruptive potential for industry and also for the serial production of the above-mentioned turbine components, such as turbine blades or burner components.
- Additive manufacturing processes include, for example, as a powder bed process, selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS), or electron beam melting (EBM).
- SLM selective laser melting
- SLS laser sintering
- EBM electron beam melting
- a method for selective laser melting is known, for example, from EP 2 601 006 B1.
- Additive manufacturing processes (English: "additive manufacturing") have also proven to be particularly advantageous for complex or complicated or filigree designed components, for example labyrinth-like structures, cooling structures and / or lightweight structures. Additive manufacturing is particularly short chain of process steps is advantageous, since a manufacturing or manufacturing step of a component can be carried out almost exclusively on the basis of a corresponding CAD file and the selection of corresponding production parameters.
- computer program product can represent or include, for example, a computer program means, and for example as a storage medium, such as a memory card, USB stick, CD-ROM, DVD, or also in the form of a downloadable file from a server in one Network can be provided or included, for example in a wireless communication network by transmitting a corresponding file with the computer program product or the computer program means.
- a pervasive problem in additive manufacturing processes for highly stressed or highly stressable components are the structural properties or material properties, which conventional manufacturing techniques often lag behind.
- a further heating source can be used in addition to the laser to better control the heating and cooling behavior.
- induction heating systems are suitable for this, but they also require mechanical positioning of the induction coil (s) due to the uneven introduction of the heating power.
- the heating power must also be checked, since the geometry has a very strong influence on the heating or the coupling efficiency or effect of the heating.
- An infrared camera can be used for temperature control and / or detection, which overlooks the entire construction site (an AM system).
- the image information can be converted into a temperature via a calibration and, for example, evaluated at the position of the coils. It is possible that only a fixed position ("region-of-interest") within the image is evaluated, which can then be shifted in the image with the coil. This temperature can also be transferred to a controller or a control device with fixed parameters. After a position shift, for example for heating a further area of a layer to be built or built up by way of the production of the component, the coil typically reaches another (cold) point and regulates the heating power again.
- the image of the infrared camera can be evaluated within the region of interest, that is to say an “area of interest”, and an actual value can be generated for the temperature control, which is controlled. It is problematic, however, that the induction strongly depends on the geometry of the metal part to be heated or a layer that has just been built up.
- a current or eddy current preferably flows in the structure already set up directly under the heating device or coil and requires a closed electrical circuit in order to achieve high currents and therefore a good heating result.
- This circle can laterally outside the sphere of influence of a heating device or coil, for example, through opposite coil parts or over an already built
- One aspect of the present invention relates to a method for providing data for temperature control in the additive manufacturing of a component.
- the method is preferably part of a control optimization for temperature control or heat management in powder bed-based additive manufacturing.
- the method comprises the acquisition of temperature data or temperature information in each case at different or (predetermined) specific positions (“region of interest”) of an additively constructed layer.
- This layer can denote one of many hundreds or thousands of layers which are additive via powder bed processes can be built up successively by selective irradiation with a laser or energy beam.
- the method further comprises processing the layer for the component with a, in particular movable, processing device at the positions of the layer, control data being acquired, for example, for or comprising a control parameter for controlling the processing device in a position-dependent manner.
- position-dependent can denote a location-dependency, for example in XY coordinates, on the layer or a corresponding production surface.
- the method further comprises generating or determining an adapted or optimized data set from the acquired data, including position-dependent adapted control data.
- the generation or determination can take place, for example, via a manual, machine or automated controller optimization or other means.
- a PID controller can be used for the control, for example, which can usually be set more sharply when approaching a setpoint slowly and more conservatively in the case of so-called “overshoot”.
- an improved control can advantageously be achieved, for example for a material layer to be built up subsequently. It is particularly advantageous that, instead of using a single set of control parameters for any geometry (status the technology) can now be provided and used depending on the position and / or individual control parameters, which che the actual and exact geometry of the individual
- the process or setup time which is the main efficiency-limiting factor for industrial additive manufacturing processes, can be reduced to a minimum.
- the adaptive control which is made possible by the modified or adapted data or control parameters, can advantageously already be used in individual components or, for example, in the first component of a production series. A previous calculation or even a prior knowledge of the geometry of the component is not necessary.
- the system can be implemented independently of the laser control and is therefore much simpler and more robust. Thermal conduction during the process as well as coupling efficiency, for example of electrical power into the system, can also be taken into account.
- another for example by way of manufacturing the component, is based on the above
- Layer following layer processed according to the adapted control data by the processing device (see below).
- control data designate data or information or parameters of or for a PID controller.
- control data can be corresponding information for a PI controller or a PD Act controller or another controller or other control device.
- the adaptive data set only includes the adapted control data.
- the advantages according to the invention can already be used and the regulation can be improved accordingly.
- the effort for generating or providing the adapted data record can be minimized.
- the adaptive data record includes temperature data and / or, for example, further data or information in addition to the adapted control data. According to this configuration, for example by collecting and processing further temperature data or by taking the geometry of the component into consideration again in layers, the accuracy and thus the control result can additionally be improved.
- control data comprise a control parameter or these, the control parameter being suitable - for the processing of the layer by the processing device - to control a heating power for preheating a layer during the additive construction of the component.
- the expression “during” in connection with the additive manufacture of the component is intended to mean that, for example, one layer is processed as a whole during the manufacture of the component, but (layer by layer) after the respective consolidation of the layer, preferably by the processing device.
- control data to be recorded per position on the layer are recorded and / or stored over a predetermined time course.
- the current regulatory data or - Information for example for the integration and differentiation of the controller, is also saved.
- the adapted data record in particular the adapted control parameters or control data, is generated by means of machine optimization methods, for example comprising artificial neural networks or genetic or evolutionary algorithms.
- the method is a computer-implemented method.
- the method is a recursive method, which is used again, repeatedly or repeatedly, for example by way of (additive) production of the component for successive layers for the component. According to this configuration, the control and thus the process efficiency as well as the heat management for the component can be additionally improved.
- the method for preheating layers made of, in particular nickel- or cobalt-based, superalloys is used during the production of high-performance construction parts, in particular hot gas turbine parts.
- Another aspect of the present application relates to a device or a system for controlling an expediently movable processing device, in particular an inductive heating device, comprising means for executing the described method.
- These means can be a computer program, a computer program product, a data structure product or corresponding other computer program means.
- the device further comprises a temperature detection device, a computer or a data processing device and a control device, preferably a PID controller.
- the temperature detection device comprises an infrared camera. According to this embodiment, a temperature image of an additively constructed layer can be determined particularly easily and expediently and temperature data can be recorded particularly easily and quickly.
- the processing device comprises an inductive heating device.
- the processing device is an inductive heating device.
- the device is set up in such a way that the temperature detection device, the computer, the control device and an inductive heating device coupled to the device, together with a structure of at least one, for example previously, built-up layer of the component form a measuring system or a control chain the.
- This measuring system which therefore includes part of the construction part, can advantageously be used to take into account, control and / or improve the efficiency with which energy is introduced into the measuring system by the machining device and the component is heated (coupling efficiency).
- the effect of the processing device, in particular the heating device, on the structure of the component can be improved.
- the device is part of an additive manufacturing system, in particular a system for powder bed-based additive manufacturing.
- Another aspect of the present invention relates to a computer program product, comprising commands which, when the program is executed by a computer, cause the computer to generate the adapted data set, as described above.
- the computer program product can comprise, for example, corresponding computer program means which are necessary in order to generate or provide the adapted data record accordingly.
- Another aspect of the present invention relates to a computer-readable medium on which the above-mentioned computer program or computer program product is stored.
- a further aspect of the present invention relates to a method for additive manufacturing of the component, comprising the layer-by-layer additive construction of the component from a powder or powdery base material, wherein after or during the solidification (s) or the construction of a powder layer by means of an energy beam, in particular a laser, this layer is processed by means of the processing device using the adapted data record provided as described above or corresponding rules or control parameters.
- the improved control parameters of the adapted data set can therefore have a direct influence on the following manufacturing process, since the heat processing of the component is decisively improved on the basis of the adapted data, and thus improved material or structural properties can also be achieved.
- Another aspect of the present invention relates to a component which is manufactured or can be manufactured according to the method for additive manufacturing.
- the component comprises, for example in contrast to a conventionally manufactured component of the prior art or an additive manufactured component of the prior art, a largely crack-free and / or low-stress, in particular single-crystalline and / or stem-crystalline, microstructure.
- the means described here are preferably suitable for heating a processing or preheating of the component or a component layer to be subsequently produced to a temperature of over 1000 ° C.
- Figure 1 shows a schematic sectional view of a construction part during its additive manufacturing.
- Figure 2 shows a schematic plan view of a component cross section, which is processed with a processing device.
- FIG. 3 indicates a sequence of several processing steps on the basis of a schematic view of a solidified component layer.
- FIG. 4 shows a schematic flow diagram which indicates process steps of the described method.
- FIG. 1 indicates, using a schematic sectional view, the additive manufacture of a component 10 from a powder bed, preferably by selective laser melting or electron beam melting.
- a corresponding additive manufacturing plant is identified by reference number 200.
- a starting material P for the component 10 is layer-wise selectively irradiated by an energy beam, preferably a laser beam 105, in accordance with the desired (predetermined) geometry.
- an energy beam preferably a laser beam 105
- the component is produced on a substrate or a construction platform 12 or welded to it.
- the platform also serves as a mechanical support during production to protect the component from thermal distortion. After solidifying everyone
- Layer a manufacturing surface (not explicitly characterizes) preferably newly coated with powder P by a coater 11, and the component is further constructed in this way.
- Layers 1 and 2 are indicated by dashed lines in FIG. 1, the layer thicknesses of which are typically between 20 and 80 ⁇ m in such processes.
- the component 10 is preferably a construction part which is used in the hot gas path of a turbomachine, for example a gas turbine.
- the component can be a rotor or guide vane, a segment or ring segment, a burner part or a burner tip, a frame, a shield, a heat shield, a nozzle, sealing device, a filter, an orifice or lance, a resonator, stamp or one Designate vortex, or a corresponding transition, use, or a corresponding retrofit part.
- the component 10 is preferably a component which is thermally and / or mechanically highly stressed in its intended operation from a superalloy, for example cobalt- or nickel-based.
- a processing device 20 is also indicated on the right side of a manufacturing surface (right in the picture).
- a new powder layer applied or a freshly solidified or irradiated component layer can expediently be treated before and / or after.
- This processing is particularly advantageous or expedient in order to carry out an advantageous or necessary heat treatment (heat management) of the corresponding components, preferably in-situ during assembly.
- the means for machining or the machining device 20 described here are preferably suitable for heating a machining or preheating of the component or a component layer to be subsequently produced to a temperature of over 1000 ° C.
- FIG. 2 shows a schematic plan view of a layer 1 freshly irradiated and solidified with the energy beam 105.
- a coating device 11 or a coating device can be seen here, which is set up for a layer to be subsequently irradiated (see reference number 2 in Figure 1) apply new powder P.
- the cross section of the component 10 is shown in a rectangular shape for the sake of clarity.
- the component cross section can have a complicated, for example non-closed, or cavity-like geometry.
- a processing device 20 can be recognized, which preferably comprises or represents an inductive heating device.
- the processing device can introduce heat into a component layer by another principle, for example.
- a conventional additive manufacturing system (see reference number 200 in FIG. 1) preferably comprises a temperature detection device 101, preferably an infrared camera, via which a complete temperature image of the layer or of the manufacturing surface can preferably be recorded for each irradiated layer.
- Image information from the temperature image can, for example, be calibrated ration converted into a temperature and evaluated at corresponding positions for later processing (see FIG. 3 further below).
- recorded temperature data preferably the said temperature or the thermal image of layer 1
- the processing device 20 can be controlled accordingly.
- a device 100 can accordingly be set up to control the processing device 20 and further include the aforementioned computer program means (see reference number CPP below), the temperature detection device 101, the computer 102 and, for example, the control device 103. Accordingly, the device 100 can be coupled or connected to the processing device 20.
- the processing device 20 has an inductive heating device or an induction coil 104.
- the device 20 can also have a plurality of induction coils, for example a coil which can be moved or moved along the X direction and a coil which can be moved or moved along the Y direction.
- the coils mentioned can also be superimposed in such a way that desired or predefined heating, for example heating of over 1000 ° C., can only be achieved in a selected area (cf. English “region-of-interest” and reference symbol ROI).
- the coil 104 is arranged to be movable and movable along the X-direction Y direction can be movable and arranged so that the selected area ROI can be heated appropriately.
- the processing device 20 is also preferably set up, due to its mobility over any positions above the powder bed or the layer surface, that both an already solidified component layer (compare layer 1) and a layer of newly applied powder material (compare layer 2) can be heated. In contrast to the solid component structure, however, heating of the powder (cf. left in FIG. 2) is negligible and the heating power is dominated or absorbed by the layers that have already solidified below. In the SLM method, these layers are generally significantly thinner than the depth of penetration of the induction field or of the magnetic flux of the coil (s) 104 inducing the eddy currents.
- the device 100 is preferably also set up in such a way that the temperature detection device 101, the computer 102, the control device 103 and an inductive heating device 20, 104 coupled to the device 100 together with a structure of at least one built-up layer 1 of the component 10 is a measuring system S or a
- This system or control chain consists of the temperature detection device 101, the computer 102 and the aforementioned computer program means, the device 20 or the induction coil 104 and the structure of the component 10 itself, or comprises these
- the measuring system S for example transmits with everyone
- Control device 103 which comprises, for example, a PID controller.
- the component 1, 10 itself or the point currently to be heated or preheated can influence the control in two ways: on the one hand, the coupling efficiency and thus the effect of the induction heating on the component 10 to change. On the other hand, the limited heat conduction can lead to a delay between heating and temperature change. Both sizes or values depend heavily on the actual geometry and usually the control system
- the present invention now proposes means that
- FIG. 3 shows a sequence of machining steps based on a representation similar to that of FIG. 2, on the basis of which a solidified component layer 1, preferably immediately after hardening, is processed by means of the described machining device 20, preferably is heated inductively.
- a heat treatment tailored, for example, to the alloy of the component may be necessary or advantageous, for example, in order to release stresses in the component, to avoid or prevent hot cracks, or also to prevent large process-inherent temperature gradients, which in turn cause cracks, chemical imbalances or, in principle, one Tie weldability of the base material.
- the corresponding processing areas can be, for example, those positions which are also irradiated one after the other in accordance with an irradiation strategy. Alternatively, it can be specifically selected areas, for example regions in the layer, which are particularly susceptible to structural defects or other factors, such as those relevant to strength.
- the positions can continue - unlike shown in Figure 3 - continuously or continuously merge.
- the coil 104 or the processing device 20 is moved to a following second position P2 or third position P3, which then indicates a not yet heated or cold location, and for example in a corresponding ROI of the position can be edited.
- a first position PI the coil 104 or the processing device 20 is moved to a following second position P2 or third position P3, which then indicates a not yet heated or cold location, and for example in a corresponding ROI of the position can be edited.
- a first position PI the coil 104 or the processing device 20 is moved to a following second position P2 or third position P3, which then indicates a not yet heated or cold location, and for example in a corresponding ROI of the position can be edited.
- three positions and ROI in reality, for example, several hundred positions can be approached and processed per shift.
- the temperature data are stored and / or recorded at different positions of the additively constructed layer 1 (compare method step a) below). Furthermore, according to the invention, it is stored and / or recorded during processing of the layer, for example along the positions PI to P3, control data, for example comprising control parameters for the processing device, position-dependent and per position (PI to P3) (compare method steps b) in Figure 4 below). Furthermore, in accordance with the method described (compare method steps c) in FIG. 4 below, an adapted or optimized data set D 'is generated or provided from the acquired data, comprising control data R' (see below) which has been adapted as a function of position.
- adapted control data for example control data and a control parameter for a PID controller as control device 103, or in addition to the adapted control data, temperature data can be counted in the adapted data record.
- control acts to be recorded can be recorded and / or stored, for example, per position on the layer over a predetermined time course (not explicitly identified in the figures).
- the current internal values for integration and differentiation are also saved.
- the adapted data record includes, for example, machine optimization methods, for example, by way of illustration or comprehensively, artificial neural networks or genetic or evolutionary algorithms. Alternatively, other optimization methods can be used to provide the adapted data set.
- the described method in particular the provision of the adapted data set, can furthermore be a recursive method, for example a method which is used again or iteratively in the way of additively producing the component 10 for successive layers, for example by better and better adapted per layer Values for the control parameters to come, thus continuously optimizing temperature control and process efficiency.
- a recursive method for example a method which is used again or iteratively in the way of additively producing the component 10 for successive layers, for example by better and better adapted per layer Values for the control parameters to come, thus continuously optimizing temperature control and process efficiency.
- the recording of the values for a complete layer or the complete component is not necessary.
- the new or adapted parameters for the last processed position are then determined directly after the heating and only the PID values (control parameters) for the next shift, for example shift 2, are stored.
- FIG. 4 summarizes the method steps according to the invention on the basis of a schematic flow diagram and indicates that the method described is a computer-implemented method, for example a method in which a computer program product or a corresponding computer program generates the adapted data record.
- the method is a method for providing data D for a temperature control in the additive manufacturing of the component 10.
- the method comprises: a) the acquisition of temperature data T in each case at different positions PI, P2 of an additively constructed layer 1.
- the recorded data D can be, for example, initial control data R, a control parameter SP temperature data T or information of the recorded temperature image (see above).
- the procedure further includes, b) editing the
- the method further comprises, c) generating an adapted data record D 'from the acquired data.
- the adapted data record can include, for example, temperature data T in addition to the position-dependent adapted control data R 'or, for example, a control parameter SP for controlling or regulating the processing device 20.
- this method step can be implemented by a computer program or a corresponding computer program product CPP.
- the invention is not restricted to the exemplary embodiments by the description based on these, but rather encompasses every new feature and every combination of features. This includes in particular any combination of features in the claims, even if this feature or this combination is not itself explicitly specified in the claims or exemplary embodiments.
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Bereitstellen von Daten (D) für eine Temperaturregelung in der additiven Herstellung eines Bauteils (10) angegeben. Das Verfahren umfasst, a), Erfassen von Temperaturdaten (T) jeweils an verschiedenen Positionen (P1, P2) einer additiv aufgebauten Schicht (1), b), Bearbeiten der Schicht (1) für das Bauteil (10) mit einer Bearbeitungsein- richtung (20) an den Positionen (P) der Schicht (1), wobei Regelungsdaten (R) zur Regelung der Bearbeitungseinrichtung positionsabhängig erfasst werden, und, c), das Erzeugen eines adaptierten Datensatzes (D') aus den erfassten Daten (R, T) umfassend positionsabhängige adaptierte Regelungsdaten (R'). Weiterhin werden eine entsprechende Vorrichtung, ein Computerprogrammprodukt und ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils sowie ein entsprechendes Bauteil angegeben.
Description
Beschreibung
Verfahren zum Bereitstellen von Daten für eine adaptive Tem peraturregelung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereit stellen von Daten für eine, insbesondere adaptive, Tempera turregelung in der additiven Herstellung eines Bauteils, vor zugsweise der pulverbett-basierten Herstellung. Weiterhin werden eine Vorrichtung, ein Computerprogrammprodukt sowie ein Verfahren zur additiven Herstellung des Bauteils angege ben, welches die bereitgestellten Daten nutzt.
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strö mungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Super legierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung. Die Legierung kann beispielsweise ausschei dungsgehärtet oder mischkristallgehärtet sein.
In Gasturbinen wird thermische Energie und/oder Strömungs energie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs, z.B. eines Gases, erzeugten Heißgases in kinetische Energie (Rotationse nergie) eines Rotors umgewandelt. Dazu ist in der Gasturbine ein Strömungskanal ausgebildet, in dessen axialer Richtung der Rotor bzw. eine Welle gelagert ist.
Zweckmäßigerweise ragen die Turbinenschaufeln in den Strö mungskanal hinein. Wird der Strömungskanal von einem Heißgas durchströmt, werden die Laufschaufeln mit einer Kraft beauf schlagt, die in ein auf die Welle wirkendes Drehmoment umge wandelt wird, das den Turbinenrotor antreibt, wobei die Rota tionsenergie z.B. zum Betrieb eines Generators genutzt werden kann .
Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter ande rem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metal-
lischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen (Kriechbelastung, thermomechanische Ermüdung) verbessert.
Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interes sant auch für die Serienherstellung der oben genannten Turbi nenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten .
Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS) , oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) .
Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielswei se bekannt aus EP 2 601 006 Bl.
Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufac- turing") haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder kompliziert oder filigran designte Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Pro zessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Ferti gungsschritt eines Bauteils fast ausschließlich auf Basis ei ner entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fer tigungsparameter erfolgen kann.
Der vorliegend beschriebene Ausdruck „Computerprogrammpro dukt" kann z.B. ein Computerprogramm-Mittel darstellen oder umfassen, und beispielsweise als Speichermedium, wie z.B. Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD, oder auch in Form ei ner herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder umfasst werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.
Ein allgegenwärtiges Problem bei additiven Herstellungsver fahren für hochbelastete oder hochbelastbare Bauteile sind die strukturellen Eigenschaften bzw. Materialeigenschaften, welche konventionellen Fertigungstechniken häufig nachstehen. Um bessere Materialeigenschaften in der additiven Fertigung zu erreichen, kann zur besseren Steuerung des Aufheiz- und Abkühlverhaltens zusätzlich zum Laser eine weitere Heizquelle eingesetzt werden. Bei der Verarbeitung von Metallen, insbe sondere Superlegierungen, eignen sich hierfür Induktions heizsystem, die allerdings durch die ungleichmäßige Einbrin gung der Heizleistung zusätzlich eine mechanische Positionie rung der Induktionsspule (n) benötigen.
Die Heizleistung muss ebenfalls kontrolliert werden, da die Geometrie sehr starken Einfluss auf die Erwärmung bzw. die Einkoppeleffizienz oder Wirkung der Heizung hat. Für die Tem peraturregelung und/oder -erfassung kann eine Infrarotkamera eingesetzt werden, die das vollständige Baufeld (einer AM- Anlage) überblickt. Die Bildinformation kann über eine Kalib rierung in eine Temperatur umgerechnet und beispielsweise an der Position der Spulen ausgewertet werden. Möglicherweise wird dabei nur eine feste Position („region-of-interest" ) in nerhalb des Bildes ausgewertet, die mit der Spule dann im Bild verschoben werden kann. Diese Temperatur kann weiterhin an einen Regler oder eine Regeleinrichtung mit festen Parame tern übergeben werden. Nach einer Positionsverschiebung, bei spielsweise zur Erwärmung eines weiteren Bereichs einer auf gebauten oder aufzubauenden Schicht im Wege der Herstellung des Bauteils, erreicht die Spule typischerweise eine weitere (kalte) Stelle und regelt die Heizleistung erneut.
Das Bild der Infrarotkamera kann innerhalb der region-of- interest, also eines „Bereichs von Interesse" ausgewertet und so ein Ist-Wert für die Temperaturregelung erzeugt werden, auf den geregelt wird.
Problematisch ist jedoch, dass die Induktion stark von der Geometrie des aufzuheizenden Metallteils oder einer gerade aufgebauten Schicht abhängt. Ein Strom oder Wirbelstrom fließt dabei bevorzugt in der bereits aufgebauten Struktur direkt unter der Heizeinrichtung oder Spule und benötigt ei nen geschlossenen elektrischen Kreis, um hohe Ströme und da mit ein gutes Erwärmungsergebnis zu erreichen. Dieser Kreis kann seitlich außerhalb des Einflussbereichs einer Erwär mungseinrichtung bzw. Spule, beispielsweise durch gegenüber liegenden Spulenteile oder über eine bereits aufgebaute
Struktur (Bauteil), geschlossen werden. Kommt es zu keinem geschlossenen Kreis, sinkt die Einkoppeleffizienz drastisch, zum Beispiel bei sehr kleinen Strukturen oder im losen Pul verbett. Wegen der kleinen Partikelgröße, üblicherweise im Bereich zwischen 10 und 100 ym im Durchmesser, wird das Pul ver selbst kaum erwärmt und die Erwärmung oder ihre Effizienz wird hauptsächlich durch die Geometrie einer vorherig aufge bauten Schicht bestimmt. Es ist daher erforderlich, die Ein koppeleffizienz oder Erwärmungseffizienz, insbesondere bei pulverbett-basierten additiven Verfahren für Hochleistungs komponenten zu verbessern.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, mit welchen die Effizienz der Erwärmung oder eine Verbesserung der Einkoppeleffizienz wie beschrieben erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge genstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Daten für eine Temperaturregelung in der additiven Herstellung eines Bauteils. Das Verfahren ist vorzugsweise Teil einer Regeloptimierung für eine Temperatur kontrolle oder ein Wärmemanagement in der pulverbett- basierten additiven Herstellung.
Das Verfahren umfasst das Erfassen von Temperaturdaten bzw. Temperaturinformationen jeweils an verschiedenen oder (vor-) bestimmten Positionen („region of interest") einer additiv aufgebauten Schicht. Diese genannte Schicht kann eine von vielen hundert oder tausend Schichten bezeichnen, welche ad ditiv über Pulverbettprozesse nacheinander durch selektive Bestrahlung mit einem Laser- oder Energiestrahl aufgebaut werden .
Das Verfahren umfasst weiterhin das Bearbeiten der Schicht für das Bauteil mit einer, insbesondere beweglichen, Bearbei tungseinrichtung an den Positionen der Schicht, wobei Rege lungsdaten beispielsweise für oder umfassend einen Steuerpa rameter, zur Regelung der Bearbeitungseinrichtung positions abhängig erfasst werden.
Der Ausdruck „positionsabhängig" kann eine Ortsabhängigkeit, beispielsweise in XY-Koordinaten, auf der Schicht oder einer entsprechenden Herstellungsoberfläche bezeichnen.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Erzeugen oder Bestimmen eines adaptierten oder optimierten Datensatzes aus den er fassten Daten, umfassend positionsabhängige adaptierte Rege lungsdaten. Das Erzeugen oder Bestimmen kann beispielsweise über eine manuelle, maschinelle oder automatisierte Reglerop timierung oder andere Mittel erfolgen.
Für die Regelung kann beispielsweise ein PID-Regler zum Ein satz kommen, welcher üblicherweise bei langsamer Annäherung an einen Sollwert schärfer und bei sogenannten „Überschwin gern" eher konservativer eingestellt werden kann.
Durch die Bereitstellung des adaptierten Datensatzes, insbe sondere der adaptierten Regelungsdaten kann mit Vorteil eine verbesserte Regelung, beispielsweise für eine nachfolgend aufzubauende Materialschicht erreicht werden. Besonders vor teilhaft ist dabei, dass, statt eines einzelnen Satzes von Regelparametern für beliebige Geometrieen zu verwenden (Stand
der Technik) nun positionsabhängig und/oder individuelle Re gelparameter bereitgestellt und verwendet werden können, wel che die tatsächliche und genaue Geometrie der einzelnen
Schichten für das Bauteil berücksichtigen.
Gleichwohl kann die Gefahr einer Überhitzung durch Über schwinger in der Regelung oder im Temperaturverlauf vermieden werden. Ohne die vorgestellten Mittel wäre dies beispielswei se nur durch eine sehr konservative Einstellung oder Regelung und entsprechende Verlängerung der Aufbau- oder Prozesszeit möglich .
Weiterhin kann die Prozess- oder Aufbauzeit, welche den hauptsächlich effizienzlimitierenden Faktor für industrielle additive Fertigungsprozesse darstellt, auf ein Minimum redu ziert werden. Die adaptive Regelung, welche durch die modifi zierten oder adaptierten Daten oder Regelparameter ermöglicht wird, kann vorteilhafterweise bereits bei einzelnen Bauteilen oder beispielsweise bei dem ersten Bauteil einer Fertigungs serie ausgenutzt werden. Eine vorherige Berechnung oder auch nur eine vorherige Kenntnis der Geometrie des Bauteils ist nicht notwendig. Überdies kann das System unabhängig von der Lasersteuerung und dadurch wesentlich einfacher und robuster realisiert werden. Eine Wärmeleitung während des Prozesses als auch eine Einkoppeleffizienz, beispielsweise von elektri scher Leistung in das System können ebenfalls berücksichtigt werden .
In einer Ausgestaltung wird eine weitere, beispielsweise im Wege der Herstellung des Bauteils auf die oben genannte
Schicht folgende Schicht, gemäß dem adaptierten Regelungsda ten von der Bearbeitungseinrichtung (siehe unten) bearbeitet.
In einer Ausgestaltung bezeichnen die Regelungsdaten Daten bzw. Informationen oder Parameter eines oder für einen PID- Regler. Alternativ kann es sich bei den Regelungsdaten um entsprechende Informationen für einen PI-Regler oder einen PD
Regler oder einen anderen Regler oder eine andere Regelungs einrichtung handeln.
In einer Ausgestaltung umfasst der adaptive Datensatz nur die adaptierten Regelungsdaten. Gemäß dieser Ausgestaltung können bereits die erfindungsgemäßen Vorteile genutzt und die Rege lung entsprechend verbessert werden. Gleichzeitig kann der Aufwand für die Generierung bzw. Bereitstellung des adaptier ten Datensatzes minimiert werden.
In einer Ausgestaltung umfasst der adaptive Datensatz zusätz lich zu den adaptierten Regelungsdaten Temperaturdaten und/oder beispielsweise weitere Daten oder Informationen. Ge mäß dieser Ausgestaltung, beispielsweise indem weitere Tempe raturdaten erhoben und verarbeitet werden oder die Geometrie des Bauteils schichtweise erneut berücksichtigt wird, kann die Genauigkeit und damit das Regelergebnis zusätzlich ver bessert werden.
In einer Ausgestaltung umfassen die Regelungsdaten einen Steuerparameter oder Regeln diesen, wobei der Steuerparameter geeignet ist - für die Bearbeitung der Schicht durch die Be arbeitungseinrichtung - eine Heizleistung zur Vorwärmung ei ner Schicht während des additiven Aufbaus des Bauteils zu steuern .
Der Ausdruck „während" im Zusammenhang mit der additiven Her stellung des Bauteils soll vorliegend bedeuten, dass bei spielsweise eine Schicht während der Herstellung des Bauteils insgesamt, jedoch (schichtweise) nach dem jeweiligen Verfes tigen der Schicht vorzugsweise von der Bearbeitungsvorrich tung bearbeitet wird.
In einer Ausgestaltung werden die zu erfassenden Regelungsda ten pro Position auf der Schicht über einen vorbestimmten zeitlichen Verlauf hinweg erfasst und/oder gespeichert. Ide alerweise werden die aktuellen Regelungsdaten oder -
Informationen, beispielsweise für die Integration und Diffe rentiation des Reglers, mitgespeichert.
In einer Ausgestaltung wird der adaptierte Datensatz, insbe sondere die adaptierten Regelparameter oder Regelungsdaten mittels maschineller Optimierungsverfahren, beispielsweise umfassend künstliche neuronale Netze oder genetische bzw. evolutionäre Algorithmen, erzeugt.
In einer Ausgestaltung ist das Verfahren ein computerimple mentiertes Verfahren.
In einer Ausgestaltung ist das Verfahren ein rekursives Ver fahren, welches beispielsweise im Wege der (additiven) Her stellung des Bauteils für aufeinanderfolgende Schichten für das Bauteil erneut, wiederholt oder immer wieder angewendet wird. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Regelung und damit die Prozesseffizienz als auch das Wärmemanagement für das Bauteil zusätzlich verbessert werden.
In einer Ausgestaltung wird das Verfahren zur Vorwärmung von Schichten aus, insbesondere nickel- oder kobaltbasierten, Su perlegierungen während der Herstellung von Hochleistungsbau teilen, insbesondere Heißgasturbinenteilen, verwendet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Anmeldung betrifft eine Vorrichtung oder ein System zum Steuern einer, zweckmäßiger weise beweglichen, Bearbeitungseinrichtung, insbesondere ei ner induktiven Heizeinrichtung, umfassend Mittel zur Ausfüh rung des beschriebenen Verfahrens. Bei diesen Mitteln kann es sich um ein Computerprogramm, ein Computerprogrammprodukt, ein Datenstrukturprodukt oder entsprechende andere Computer programm-Mittel handeln.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Temperaturerfassungs einrichtung, einen Computer oder eine Datenverarbeitungsein richtung und eine Regelungseinrichtung, vorzugsweise einen PID-Regler .
In einer Ausgestaltung umfasst die Temperaturerfassungsein richtung eine Infrarotkamera . Gemäß dieser Ausgestaltung kön nen besonders einfach und zweckmäßig ein Temperaturbild einer additiv aufgebauten Schicht ermittelt und Temperaturdaten be sonders einfach und schnell erfasst werden.
In einer Ausgestaltung umfasst die Bearbeitungseinrichtung eine induktive Heizeinrichtung.
In einer Ausgestaltung ist die Bearbeitungseinrichtung eine induktive Heizeinrichtung.
In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung derart eingerich tet, dass die Temperaturerfassungseinrichtung, der Computer, die Regelungseinrichtung und eine an die Vorrichtung gekop pelte induktive Heizeinrichtung zusammen mit einer Struktur mindestens einer, beispielsweise zuvor, bereits aufgebauten Schicht des Bauteils ein Messsystem bzw. eine Regelkette bil den. Über dieses Messsystem, welches also einen Teil des Bau teils mit einbezieht, kann vorteilhafterweise die Effizienz, mit der beispielsweise von der Bearbeitungseinrichtung Ener gie in das Messsystem eingebracht und so das Bauteil erwärmt wird (Einkoppeleffizienz) berücksichtigt, kontrolliert und/oder verbessert werden. Mit anderen Worten kann die Wir kung der Bearbeitungseinrichtung, insbesondere Heizeinrich tung, auf die Struktur des Bauteils verbessert werden.
Für den Fall, dass in der aktuell aufzubauenden Schicht nur eine kleine Querschnittsfläche einer Struktur aufzubauen ist, ist die Möglichkeit, Wärme in das Bauteil einzubringen und auch wieder abzuleiten dadurch begrenzt, dass pulverförmiges Basismaterial für das Bauteil thermisch quasi-isolierend ist. Durch das bereitgestellte Messsystem kann insbesondere eine schnelle, stabile und/oder genaue Regelung der Temperatur des Bauteils und eine entsprechend wirkungsvolle (induktive) Er wärmung des Bauteils ermöglicht werden.
In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung Teil einer additi ven Herstellungsanlage, insbesondere eine Anlage zur pulver- bett-basierten additiven Fertigung.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, welche bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veran lassen, den adaptierten Datensatz, wie oben beschrieben, zu erzeugen. Das Computerprogrammprodukt kann beispielsweise entsprechende Computerprogramm-Mittel umfassen, welche erfor derlich sind, um den adaptierten Datensatz entsprechend zu erzeugen oder bereitzustellen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem das oben genannte Computer programm bzw. Computerprogrammprodukt gespeichert ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung des Bauteils, umfassend den schichtweisen additiven Aufbau des Bauteils aus einem Pulver oder pulverförmigen Basismaterial, wobei nach dem oder während des Verfestigen ( s ) bzw. des Aufbaus einer Pulver schicht mittels eines Energiestrahls, insbesondere eines La sers, diese Schicht anhand des wie oben beschrieben bereitge stellten adaptierten Datensatzes oder entsprechender Regel oder Steuerparameter mittels der Bearbeitungseinrichtung be arbeitet wird. Die verbesserten Regelparameter des adaptier ten Datensatzes können also direkten Einfluss auf das nach folgende Fertigungsverfahren haben, da anhand der adaptierten Daten die Wärmebearbeitung des Bauteils entscheidend verbes sert und damit ebenfalls verbesserte Material oder Struktur eigenschaften erzielt werden können.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches gemäß dem Verfahren zur additiven Herstel lung hergestellt oder herstellbar ist. Das Bauteil umfasst, beispielsweise im Gegensatz zu einem konventionell herge stellten Bauteil des Standes der Technik oder einem additiv
hergestellten Bauteil des Standes der Technik eine weitgehend rissfreie und/oder spannungsarme, insbesondere einkristalline und/oder stängelkristalline, Mikrostruktur.
Die vorliegend beschriebenen Mittel sind vorzugsweise geeig net, um eine Bearbeitung oder Vorwärmung des Bauteils oder einer nachfolgend herzustellenden Bauteilschicht auf eine Temperatur von über 1000 °C zu erwärmen.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das Verfahren zum Bereitstellen von Daten, das Com puterprogrammprodukt oder die Vorrichtung beziehen, können - wie dargelegt - ferner den additiven Herstellungsprozess oder das Bauteil selbst betreffen, oder umgekehrt.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Alle bisher und im Folgenden
beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen.
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder", 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.
Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bau teils während seiner additiven Herstellung.
Figur 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Bauteil querschnitt, welcher mit einer Bearbeitungseinrich tung bearbeitet wird.
Figur 3 deutet anhand einer schematischen Aufsicht auf eine verfestigte Bauteilschicht eine Abfolge von mehre ren Bearbeitungsschritten an.
Figur 4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, welches Ver fahrensschritte des beschriebenen Verfahrens andeu tet .
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszei chen 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 Verständ nis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein .
Figur 1 deutet anhand einer schematischen Schnittansicht die additive Herstellung eines Bauteils 10 aus einem Pulverbett an, vorzugsweise durch selektives Laserschmelzen oder Elekt ronenstrahlschmelzen. Eine entsprechende additive Herstel lungsanlage ist mit dem Bezugszeichen 200 gekennzeichnet.
Ein Ausgangsmaterial P für das Bauteil 10 wird dabei schicht weise selektiv von einem Energiestrahl, vorzugsweise einem Laserstrahl 105, gemäß der gewünschten (vorbestimmten) Geo metrie bestrahlt. Das Bauteil wird dazu auf einem Substrat oder einer Bauplattform 12 hergestellt bzw. mit dieser ver schweißt .
Die Plattform dient dabei während der Herstellung gleichzei tig als mechanische Stütze, um das Bauteil vor thermischem Verzug zu bewahren. Nach der Verfestigung einer jeden
Schicht, wird eine Herstellungsoberfläche (nicht explizit ge-
kennzeichnet) vorzugsweise von einem Beschichter 11 neu mit Pulver P beschichtet, und das Bauteil so weiter aufgebaut. Lediglich exemplarisch sind in Figur 1 gestrichelt Schichten 1 und 2 angedeutet, deren Schichtdicken bei derartigen Pro zessen üblicherweise zwischen 20 und 80 ym beträgt.
Bei dem Bauteil 10 handelt es sich vorzugsweise um ein Bau teil, welches im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, bei spielsweise einer Gasturbine eingesetzt wird. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel , ein Segment oder Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, Dich tung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entspre chenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüst teil. Demgemäß handelt es sich bei dem Bauteil 10 vorzugswei se um ein in seinem bestimmungsgemäßen Betrieb thermisch und/oder mechanisch hochbelastetes Bauteil aus einer, bei spielsweise kobalt- oder nickelbasierten, Superlegierung.
Eine Bearbeitungseinrichtung 20 ist ebenfalls an der rechten Seite einer Herstellungsoberfläche (rechts im Bild) angedeu tet. Mittels der Bearbeitungseinrichtung kann eine neue auf gebrachte Pulverlage oder eine frisch verfestigte oder be strahlte Bauteilschicht zweckmäßigerweise vor- und/oder nach behandelt werden. Diese Bearbeitung ist insbesondere vorteil haft bzw. zweckmäßig, um eine vorteilhafte oder erforderliche Wärmebehandlung (Wärmemanagement) der entsprechenden Bauteile durchzuführen, vorzugsweise in-situ während des Aufbaus.
Die großen prozessinhärenten Temperaturgradienten übersteigen bei pulverbettbasierten Prozessen häufig 105 K/s und verursa chen demgemäß hohe chemische Ungleichgewichtszustände, Risse und/oder mechanische Spannungen. Daher ist es zweckmäßig, beispielsweise eine neu aufgebrachte Pulverschicht (verglei che Bezugszeichen 2) oder eine bereits verfestigte Bauteil schicht (vergleiche Bezugszeichen 1) mit einer Bearbeitungs-
einrichtung (vergleiche Bezugszeichen 20) thermisch zu behan deln .
Die vorliegend beschriebenen Mittel für die Bearbeitung bzw. die Bearbeitungseinrichtung 20 sind vorzugsweise geeignet, eine Bearbeitung oder Vorwärmung des Bauteils oder einer nachfolgend herzustellenden Bauteilschicht auf eine Tempera tur von über 1000 °C zu erwärmen.
Figur 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine frisch mit dem Energiestrahl 105 bestrahlte und verfestigte Schicht 1. Wie in Figur 1 ist hier ein Beschichter 11 oder eine Be schichtungseinrichtung zu erkennen, welche eingerichtet ist, für eine nachfolgend zu bestrahlende Schicht (vergleiche Be zugszeichen 2 in Figur 1) neues Pulver P aufzutragen.
Gemäß der Darstellung der Figur 2 ist der Querschnitt des Bauteils 10 lediglich der Übersichtlichkeit halber rechteck förmig dargestellt. Bei Bauteilen, bei denen sich eine addi tive Fertigung anbietet bzw. lohnt, ist dies natürlich häufig nicht der Fall und der Bauteilquerschnitt kann eine kompli zierte, beispielsweise nicht geschlossene, oder Hohlräume aufweisende Geometrie haben.
Im Unterschied zur Figur 1 ist, gemäß der vorliegenden Erfin dung, eine Bearbeitungseinrichtung 20 zu erkennen, welche vorzugsweise eine induktive Heizeinrichtung umfasst oder dar stellt. Alternativ kann die Bearbeitungseinrichtung bei spielsweise durch ein anderes Prinzip Wärme in einem Bauteil schicht einbringen.
Eine konventionelle additive Herstellungsanlage (vergleiche Bezugszeichen 200 in Figur 1) umfasst vorzugsweise eine Tem peraturerfassungseinrichtung 101, vorzugsweise eine Infrarot kamera, über welche vorzugsweise pro bestrahlter Schicht ein vollständiges Temperaturbild der Schicht bzw. der Herstel lungsoberfläche aufgenommen werden kann. Eine Bildinformation aus dem Temperaturbild kann beispielsweise über eine Kalib-
rierung in eine Temperatur umgerechnet und an entsprechenden Positionen der späteren Bearbeitung (vergleiche Figur 3 wei ter unten) ausgewertet werden.
Über einen Computer 102 oder eine Datenverarbeitungseinrich tung und vorzugsweise weiterhin eine Regelungseinrichtung 103 können erfasste Temperaturdaten, vorzugsweise die genannte Temperatur oder das Wärmebild der Schicht 1, gespeichert und an die Bearbeitungseinrichtung 20 übergeben oder diese ent sprechend angesteuert werden.
Eine Vorrichtung 100 kann demgemäß eingerichtet sein, die Be arbeitungseinrichtung 20 zu steuern und weiterhin die genann ten Computerprogramm-Mittel (vergleiche Bezugszeichen CPP weiter unten), die Temperaturerfassungseinrichtung 101, den Computer 102 und beispielsweise die Regelungseinrichtung 103 umfassen. Demgemäß kann die Vorrichtung 100 mit der Bearbei tungseinrichtung 20 gekoppelt oder verschaltet sein.
Die Bearbeitungseinrichtung 20 weist in der in Figur 2 ge zeigten Ausführungsform eine induktive Heizeinrichtung bzw. eine Induktionsspule 104 auf. Obwohl dies nicht explizit dar gestellt ist, kann die Einrichtung 20 auch eine Mehrzahl von Induktionsspulen aufweisen, beispielsweise eine entlang der X-Richtung verschiebbar oder beweglich angeordnete Spule und eine entlang der Y-Richtung verschiebbar oder beweglich ange ordnete Spule. Die genannten Spulen können auch derart über lagert werden, dass nur in einem ausgewählten Bereich (vgl. englisch „region-of-interest" und Bezugszeichen ROI) eine ge wünschte oder vordefinierte Erwärmung, beispielsweise eine Erwärmung von über 1000 °C erzielt werden kann. Der Einfach heit halber ist in Figur 2 nur eine Spule 104 gekennzeichnet, welche einen auszuwählenden Bereich ROI in vordefinierter Art erwärmen kann. Die Spule 104 ist entlang der X-Richtung be weglich und verfahrbar angeordnet. Auf gleiche Art könnte ei ne ähnliche Spule entlang der Y-Richtung beweglich und derart angeordnet sein, so dass der ausgewählte Bereich ROI zweckmä ßig erwärmt werden kann.
Die Bearbeitungseinrichtung 20 ist ferner vorzugsweise einge richtet, durch ihre Beweglichkeit über beliebige Positionen über dem Pulverbett bzw. der Schichtoberfläche, dass sowohl eine bereits verfestigte Bauteilschicht (vergleiche Schicht 1) als auch eine Schicht neu aufgetragenen Pulvermaterials (vergleiche Schicht 2) erwärmt werden kann. Im Gegensatz zur festen Bauteilstruktur ist jedoch eine Erwärmung des Pulvers (vgl. links in Figur 2) vernachlässigbar und die Heizleistung wird von den unten liegenden, bereits verfestigten Schichten dominiert oder aufgenommen. Diese Schichten sind beim SLM- Verfahren in der Regel deutlich dünner als die Eindringtiefe des Induktionsfeldes bzw. des die Wirbelströme induzierenden magnetischen Flusses der Spule (n) 104.
Die Vorrichtung 100 ist vorzugsweise weiterhin derart einge richtet, dass die Temperaturerfassungseinrichtung 101, der Computer 102, die Regelungseinrichtung 103 und eine an die Vorrichtung 100 gekoppelte induktive Heizeinrichtung 20, 104 zusammen mit einer Struktur mindestens einer aufgebauten Schicht 1 des Bauteils 10 ein Messsystem S oder eine
entsprechende Regelkette bilden. Dieses System bzw. diese Regelkette besteht aus der Temperaturerfassungseinrichtung 101, dem Computer 102 sowie den genannten Computerprogramm mitteln, der Einrichtung 20 bzw. der Induktionsspule 104 und der Struktur des Bauteils 10 selbst, oder umfasst diese
Komponenten .
Das Messsystem S übergibt beispielsweise mit jedem
aufgezeichneten Kamera- oder Temperaturbild eine Ist- Temperatur pro ausgewähltem Bereich ROI an die
Regelungseinrichtung 103, welche beispielsweise einen PID Regler umfasst.
Das Bauteil 1, 10 selbst bzw. die aktuell zu heizende oder vorzuheizende Stelle kann die Regelung dabei auf zwei Weisen beeinflussen: Zum einen kann sich die Einkoppeleffizienz und damit die Wirkung der Induktionsheizung auf das Bauteil 10
ändern. Zum anderen kann die begrenzte Wärmeleitung zu einer Verzögerung zwischen Heizung und Temperaturänderung führen. Beide Größen oder Werte sind stark von der tatsächlichen Geometrie abhängig und dem Regelsystem normalerweise
unbekannt. Selbst bei genau bekannter Geometrie können die Werte nur durch vollständige Simulation des elektrischen und thermischen Verhaltens ermittelt werden, das die
beschriebenen Phänomene hinreichend beschreibt.
Die vorliegende Erfindung schlägt nun Mittel vor, das
Regelsystem dahingehend zu optimieren und zu verbessern, dass auf die genannten Simulationen verzichtet werden kann und adaptierte Daten beziehungsweise Regelparameter aus dem
System selbst abzuleiten (vergleiche Figuren 3 und 4 weiter unten) .
Figur 3 zeigt anhand einer zur Darstellung der Figur 2 ähnli chen Darstellung eine Abfolge von Bearbeitungsschritten, an hand derer eine verfestigte Bauteilschicht 1, vorzugsweise unmittelbar, nach einer Verfestigung mittels der beschriebe nen Bearbeitungseinrichtung 20 bearbeitet, vorzugsweise in duktiv erwärmt wird.
Eine beispielsweise auf die Legierung des Bauteils maßge schneiderte Wärmebehandlung kann beispielsweise erforderlich oder vorteilhaft sein, um Spannungen im Bauteil zu lösen, Heißrisse zu vermeiden oder zu verhindern oder auch, um große prozessinhärente Temperaturgradienten zu verhindern, welche ihrerseits entstehende Risse, chemische Ungleichgewichte oder grundsätzlich eine Schweißbarkeit des Basismaterials unter binden .
Bei den entsprechenden Bearbeitungsbereichen (vergleiche ROI an den Positionen PI, P2 und P3 in Figur 3) kann es sich bei spielsweise um diejenigen Positionen handeln, welche auch ge mäß einer Bestrahlungsstrategie nacheinander bestrahlt wer den. Alternativ kann es sich um besonders ausgewählte Berei che handeln, beispielsweise Regionen in der Schicht, welche
besonders anfällig für Strukturdefekte oder sonstige, bei spielsweise festigkeitsrelevante, Faktoren sind. Die Positio nen können weiterhin - anders als in Figur 3 dargestellt - kontinuierlich oder stetig ineinander übergehen.
Typischerweise wird die Spule 104 bzw. die Bearbeitungsein richtung 20 nach der Bearbeitung einer ersten Position PI an eine folgende zweite Position P2 oder dritte Position P3 ge fahren, welche dann eine noch nicht erwärmt oder kalte Stelle anzeigt, und beispielsweise in einer entsprechenden ROI der Position bearbeitet werden kann. Statt, wie in Figur 3 ge kennzeichnet, drei Positionen und ROI können in der Realität pro Schicht beispielsweise mehrere hundert Positionen ange fahren und bearbeitet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Temperaturdaten, wie oben beschrieben, an verschiedenen Positionen der additiv aufgebauten Schicht 1 gespeichert und/oder erfasst (verglei che Verfahrensschritt a) weiter unten) . Weiterhin werden er findungsgemäß während des Bearbeitens der Schicht, beispiels weise entlang der Positionen PI bis P3, Regelungsdaten, bei spielsweise umfassend Steuerparameter für die Bearbeitungs einrichtung, positionsabhängig und pro Position (PI bis P3) gespeichert und/oder erfasst (vergleiche Verfahrensschritte b) in Figur 4 weiter unten) . Weiterhin wird gemäß dem be schriebenen Verfahren (vergleiche Verfahrensschritte c) in Figur 4 weiter unten) ein adaptierter oder optimierter Daten satz D' aus den erfassten Daten, umfassend positionsabhängig adaptierte Regelungsdaten R' (siehe unten) erzeugt bzw. be- reitgestellt .
Gemäß dem beschriebenen Verfahren können in dem adaptierten Datensatz beispielsweise nur die adaptierten Regelungsdaten, beispielsweise Regelungsdaten sowie einen Steuerparameter für einen PID-Regler als Regelungseinrichtung 103, oder zusätz lich zu den adaptierten Regelungsdaten Temperaturdaten ge zählt werden.
Im Rahmen des beschriebenen Verfahrens können die zu erfas senden Regelungstaten beispielsweise pro Position auf der Schicht wieder über einen vorbestimmten zeitlichen Verlauf (nicht explizit in den Figuren gekennzeichnet) hinweg erfasst und/oder gespeichert werden. Idealerweise werden die aktuel len internen Werte für die Integration und Differentiation (im Falle eines PID-Reglers) mitgespeichert.
Es ist im Rahmen der beschriebenen Erfindung vorgesehen, dass der adaptierte Datensatz beispielsweise mittels maschineller Optimierungsverfahren, beispielsweise darstellend oder umfas send künstliche neuronale Netze oder genetische bzw. evoluti onäre Algorithmen, umfasst. Alternativ können andere Optimie rungsverfahren zur Bereitstellung des adaptierten Datensatzes herangezogen werden.
Das beschriebene Verfahren, insbesondere das Bereitstellen des adaptierten Datensatzes, kann weiterhin ein rekursives Verfahren sein, beispielsweise ein Verfahren, welches im Wege der additiven Herstellung des Bauteils 10 für aufeinanderfol gende Schichten erneut oder iterativ angewendet wird, bei spielsweise um pro Schicht zu immer besseren adaptierten Wer ten für die Regelparameter zu kommen, und so die Temperatur regelung und die Prozesseffizienz immer weiter zu optimieren.
In einer einfachen Ausführung ist die Aufzeichnung der Werte für eine vollständige Schicht bzw. das vollständige Bauteil nicht notwendig. Die neuen oder adaptierten Parameter für die letzte bearbeitete Position werden dann direkt nach der Auf heizung bestimmt und nur die PID-Werte (Regelungsparameter) für die nächste Schicht, beispielsweise Schicht 2, gespei chert .
Bei Kleinserien oder auch bei großen Losen kann es beispiels weise in der industrialisierten additiven Fertigung vorteil haft sein, die ermittelten Parameter vollständig für alle Schichten zu speichern. Da die ermittelten Parameter ja ei gentlich für die aktuelle Schicht gelten und nicht für die
darauffolgende, können die korrekten Werte ab dem zweiten Bauteil beispielsweise bereits in der aktuellen Schicht ver wendet werden.
Figur 4 fasst anhand eines schematischen Flussdiagramms er findungsgemäße Verfahrensschritte zusammen und deutet an, dass es sich bei dem beschriebenen Verfahren um ein computer implementiertes Verfahren handelt, beispielsweise ein Verfah ren, bei dem ein Computerprogrammprodukt oder ein entspre chendes Computerprogramm den adaptierten Datensatz erzeugt.
Das Verfahren ist ein Verfahren zum Bereitstellen von Daten D für eine Temperaturregelung in der additiven Herstellung des Bauteils 10. Das Verfahren umfasst, a) , das Erfassen von Tem peraturdaten T jeweils an verschiedenen Positionen PI, P2 ei ner additiv aufgebauten Schicht 1.
Bei den erfassten Daten D kann es sich beispielsweise um ini tiale Regelungsdaten R, einen Steuerparameter SP Temperatur daten T bzw. -informationen des erfassten Temperaturbildes (siehe oben) handeln.
Das Verfahren umfasst weiterhin, b) , das Bearbeiten der
Schicht 1 für das Bauteil 10 mit einer Bearbeitungseinrich tung 20 an den Positionen P der Schicht 1, wobei Regelungsda ten R zur Regelung der Bearbeitungseinrichtung positionsab hängig erfasst werden.
Das Verfahren umfasst weiterhin, c) , das Erzeugen eines adap tierten Datensatzes D' aus den erfassten Daten. Der adaptier te Datensatz kann beispielsweise zusätzlich zu den positions abhängigen adaptierten Regelungsdaten R' Temperaturdaten T oder beispielsweise einen Steuerparameter SP zum Ansteuern oder Regeln der Bearbeitungseinrichtung 20, umfassen. Insbe sondere dieser Verfahrensschritt kann durch ein Computerpro gramm oder ein entsprechendes Computerprogrammprodukt CPP im plementiert durchgeführt werden.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombi nation selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Claims
1. Verfahren zum Bereitstellen von Daten (D) für eine Tem peraturregelung in der additiven Herstellung eines Bauteils (10), umfassend :
- a) Erfassen von Temperaturdaten (T) jeweils an verschiede nen Positionen (PI, P2) einer additiv aufgebauten Schicht
(1) ,
- b) Bearbeiten der Schicht (1) für das Bauteil (10) mit ei ner Bearbeitungseinrichtung (20) an den Positionen (P) der Schicht (1), wobei Regelungsdaten (R) zur Regelung der Be arbeitungseinrichtung positionsabhängig erfasst werden, wobei die Regelungsdaten (R) Daten bzw. Parameter eines oder für einen PID-Regler bezeichnen, wobei die Regelungs daten einen Steuerparameter (SP) umfassen oder regeln, der geeignet ist, für die Bearbeitung eine Heizleistung zur Vorwärmung einer Schicht (1, 2) während des Aufbaus des Bauteils (10) zu steuern, und
- c) Erzeugen eines adaptierten Datensatzes (D') aus den er fassten Daten (R, T) umfassend positionsabhängige adap tierte Regelungsdaten (R').
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine weitere im Wege der Herstellung des Bauteils (10) auf die Schicht (1) folgen de Schicht (2), gemäß den adaptierten Regelungsdaten (R') be arbeitet wird.
3. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei der adaptierte Datensatz (D') nur die adaptierten Rege lungsdaten (R') umfasst.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei der adaptierte Datensatz (D') zusätzlich zu den adaptier ten Regelungsdaten Temperaturdaten (T) umfasst.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die zu erfassenden Regelungsdaten (R) pro Position (P)
auf der Schicht (1) über einen vorbestimmten zeitlichen Ver lauf hinweg erfasst und/oder gespeichert werden.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei der adaptierte Datensatz (D') mittels maschineller Opti mierungsverfahren erzeugt wird.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wel ches ein computerimplementiertes Verfahren ist.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wel ches ein rekursives Verfahren ist, das im Wege der Herstel lung des Bauteils (10) für aufeinander folgende Schichten (1) erneut angewendet wird.
9. Vorrichtung (100) zum Steuern einer
Bearbeitungseinrichtung (20), insbesondere einer induktiven Heizeinrichtung, umfassend:
- Mittel zur Ausführung der Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
- eine Temperaturerfassungseinrichtung (101),
- einen Computer (102), und
- eine Regelungseinrichtung (103).
10. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 9, welche derart einge richtet ist, dass die Temperaturerfassungseinrichtung (101), der Computer (102), die Regelungseinrichtung (103) und eine an die Vorrichtung (100) gekoppelte induktive Heizeinrichtung (20, 104) zusammen mit einer Struktur mindestens einer aufgebauten Schicht (1) des Bauteils (10) ein Messsystem (S) bilden .
11. Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, welche Teil einer additiven Herstellungsanlage (200),
insbesondere einer Anlage zur pulverbett-basierten additiven Fertigung, ist.
12. Computerprogrammprodukt (CPP) , umfassend Befehle, welche bei der Ausführung des Programms durch einen Computer (102) diesen veranlassen, den adaptierten Datensatz (D') nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zu erzeugen.
13. Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils (10) umfassend den schichtweisen additiven Aufbau des Bauteils (10) aus einem Pulver (P) , wobei nach dem oder während des Verfestigen ( s ) einer Pulverschicht mittels eines Energie- Strahls (105), diese Schicht anhand des adaptierten Datensat zes (D') nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mittels der Bear beitungseinrichtung (20) bearbeitet wird.
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