EP4619743A1 - Prüfsystem und verfahren zur in-situ erkennung von eigenschaften innerhalb eines verfestigten pulvermaterials - Google Patents

Prüfsystem und verfahren zur in-situ erkennung von eigenschaften innerhalb eines verfestigten pulvermaterials

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Publication number
EP4619743A1
EP4619743A1 EP23804902.7A EP23804902A EP4619743A1 EP 4619743 A1 EP4619743 A1 EP 4619743A1 EP 23804902 A EP23804902 A EP 23804902A EP 4619743 A1 EP4619743 A1 EP 4619743A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
eddy current
unit
test
property
current sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23804902.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dennis Jutkuhn
Ralf CASPERON
Henrik EHLERS
Matthias PELKNER
Roland Thewes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung
Publication of EP4619743A1 publication Critical patent/EP4619743A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
    • G01N27/82—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws
    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/904—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents with two or more sensors
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F10/10—Formation of a green body
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/38—Process control to achieve specific product aspects, e.g. surface smoothness, density, porosity or hollow structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
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    • G01N27/90—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables for investigating the presence of flaws using eddy currents
    • G01N27/9013—Arrangements for scanning
    • G01N27/902—Arrangements for scanning by moving the sensors

Definitions

  • the invention relates to a testing system and a method for in-situ detection of properties within a solidified powder material as well as a manufacturing system.
  • Test systems for in-situ detection of properties within a solidified powder material are generally known.
  • Test systems for in-situ detection of properties within a solidified powder material are generally known.
  • Components made from a powder material are solidified in order to produce the component, particularly layer by layer.
  • the powder material can be solidified, for example, using a high-energy beam, particularly a laser beam, or a binding agent.
  • thermography methods can be used to detect defects, for example, but the amount of data is so large that real-time Evaluation is not possible or only possible to a limited extent. Furthermore, repeated tests are not possible. In addition, particles in the beam path distort the results. Another disadvantage of thermography methods is that the required test setup is comparatively expensive.
  • ultrasound test probes can only be positioned below the base plate, so limited accessibility must be taken into account.
  • Computer tomography techniques can usually be used to precisely identify defects, but computer tomography techniques cannot be used in-situ and are also relatively expensive. In addition, radiation protection is required during the test.
  • Defects can usually be detected using acoustic emission analysis, but the exact position of the defect can only be determined to a limited extent. Furthermore, there is usually no possibility of repeat testing. In addition, optical methods cannot be used to detect hidden defects.
  • US 2016/9215 A1 discloses a system for non-destructive testing of additively manufactured components using an electromagnetic field. An eddy current test is carried out, but a structure is proposed that offers such limited spatial resolution that a precise detection of differently formed defects in a solidified powder material is not possible.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a testing system for in-situ detection of properties within a solidified powder material, comprising an eddy current-based testing unit that can be arranged on a movement unit and is arranged and designed to detect an electromagnetic material property of solidified powder material by means of an eddy current test, so that conductivity differences within the solidified powder material can be recognized in order to identify properties
  • the testing unit comprises a first eddy current sensor unit that is arranged and designed to identify a property with a first property size greater than or equal to a size limit, in particular a single defect
  • the testing unit comprises a second eddy current sensor unit that is arranged and designed to detect a collection of properties with a second property size smaller than the size limit, especially a porous
  • the invention is based on the finding that individual defects and accumulations of micro-defects are the most common causes of rejects in powder-based additive manufacturing.
  • the invention was also based on the finding that different eddy current-based mechanisms are required to test the properties mentioned above in order to ensure reliable identification.
  • two different eddy current sensor units namely the first and second eddy current sensor units, which are designed to identify properties with different property sizes, this finding can be used to technical advantage.
  • the testing system therefore enables in-situ adaptation, in particular correction, of the identified properties, as will be explained in more detail below. Furthermore, a construction order or a component can be aborted during production and after a property has been identified, so that the cost-intensive additive manufacturing is aborted after a property that cannot be adapted or corrected has been created. In addition, the testing system offers the advantage that no complex testing steps are required after the component has been completed, which are usually very expensive with a computer tomography scan.
  • Another advantage of the eddy current-based process is that the amount of data generated is so small that the data can be evaluated during additive manufacturing, which means that process control based on a result from the test system can be implemented in real time.
  • the properties can be assigned layer by layer.
  • the in-situ recording of the properties can be used to derive a correlation between the property and the process parameters used, as well as process states determined by sensors in the production plant, so that the additive manufacturing process can be optimized. In particular, this can be done using artificial intelligence, for example.
  • the process can be controlled in-situ, as will be explained in more detail below.
  • process interruptions and terminations are reduced by increasing process stability. Furthermore, such testing enables digital production documentation.
  • the test system is designed for the in-situ detection of properties within a solidified powder material.
  • a solidified powder material is understood to mean any powder material whose powder particles are connected to one another at least in sections.
  • a solidified powder material can be formed, for example, by joined and/or glued powder particles.
  • the powder material to be solidified is in particular electrically conductive and/or ferromagnetic.
  • An in-situ test and detection of properties is understood in particular to mean a test during the production of the component from the powder material, for example layer by layer, once or multiple times between the production of a first layer and the production of a last layer of the component.
  • Properties are generally understood to mean all properties within the solidified powder material.
  • a property can be, for example, an inhomogeneity or an anomaly.
  • a property can be a cavity, for example due to incomplete melting, a gas pore, a microporosity, a material property, a delamination, a geometric deviation, a reduced surface quality, a discoloration and/or properties in the material structure.
  • a property can be a geometry, a component edge or a contour of the solidified powder material or the component.
  • the test system is designed in particular for powder bed-based additive manufacturing processes.
  • the test system is particularly suitable for an additive layer construction process, for example for selective laser beam melting (L-PBF), selective electron beam melting (E-PBF) or metal binder jetting (MBJ).
  • L-PBF selective laser beam melting
  • E-PBF selective electron beam melting
  • MJ metal binder jetting
  • the powder material can be solidified, for example, with a high-energy beam and/or a binder.
  • the high-energy beam is preferably a laser or electron beam.
  • a solidified powder material is particularly understood to mean such a powder material whose powder particles are at least partially connected to one another, in particular fused together.
  • the test system includes the eddy current-based test unit.
  • An eddy current-based test unit is basically understood to be a test unit that is arranged and designed to detect a property based on an eddy current test.
  • the test unit is preferably arranged and designed to generate an alternating magnetic field that penetrates a surface to be tested, generates an eddy current within the material and measures the reaction of this eddy current and is used for material testing.
  • the generated eddy current acts against the generator current through its own magnetic field, so that these differences can be detected with the test unit.
  • the eddy current-based test unit can detect differences in the electromagnetic properties within the solidified powder material. For example, a pore has an electrical conductivity that differs from that of the solidified powder material surrounding the pore. A property can therefore be inferred from a detected difference in electrical conductivity.
  • the test unit can, for example, induce an eddy current in the solidified powder material. The effect of this eddy current is then measured. Furthermore, changes in the eddy current can be detected and, on the basis of this, conductivity differences can be identified. A corresponding evaluation of the detected conductivity differences in turn allows conclusions to be drawn about properties, particularly defects.
  • an additional excitation unit can also be provided.
  • the test unit can be arranged on a movement unit. This means in particular that the test unit is designed to be arranged on a movement unit that is to be moved over a powder bed.
  • the eddy current based testing unit is arranged and designed to measure an electromagnetic material property of solidified powder material by means of an eddy current test.
  • conductivity differences within the solidified powder material can be detected in order to identify properties. It is particularly preferred that changes in the electromagnetic material property are detected.
  • the test unit comprises the first eddy current sensor unit.
  • the eddy current sensor unit is arranged and designed, in particular in normal operation, to identify a property with a first property size greater than or equal to a size limit value.
  • the first eddy current sensor unit is in particular arranged and designed to detect a single defect, such as a single pore.
  • the first eddy current sensor unit is preferably arranged and designed to measure a magnetic field on the eddy current sensor unit that is influenced by the course of the eddy currents in the solidified powder material. An eddy current path in the solidified powder material that is disturbed by a property leads to a measuring effect at the location of the sensor.
  • the first eddy current sensor unit is designed to identify larger properties.
  • the first eddy current sensor unit is designed to identify properties that are greater than or equal to the size limit value. It is preferred that the first eddy current sensor unit can be miniaturized.
  • the first eddy current sensor unit preferably comprises one, two or more eddy current sensors.
  • the test unit further comprises the second eddy current sensor unit.
  • the second eddy current sensor unit is arranged and designed to identify a collection of properties.
  • a collection of properties can be, for example, a porosity that is formed, for example, by micropores.
  • the second eddy current sensor unit is preferably designed to measure an impedance of an eddy current coil in order to detect a change in the impedance caused by a counter field of the eddy currents.
  • the second eddy current sensor unit preferably has an integrating behavior so that defect areas can advantageously be identified.
  • the second eddy current sensor unit is preferably miniaturizable.
  • the second eddy current sensor unit preferably comprises one, two or more eddy current sensors.
  • the test unit, the first eddy current sensor unit and/or the second eddy current sensor unit is or are preferably designed to generate property signals representing a property.
  • a signal is understood to be any type of information carrier.
  • the property signal can be designed as a data set, for example.
  • the property signal is preferably provided permanently, so that a change in the property signal allows a property to be inferred.
  • a signal strength preferably a constant signal strength
  • An offset in the signal strength can characterize a reduction in the material density.
  • parameter variations can be carried out to achieve an optimum, in particular maximizing the density of the component.
  • test unit the first eddy current sensor unit and/or the second eddy current sensor unit are preferably designed to provide the property signals to a control device.
  • the control device as will be explained in more detail below, is preferably set up to identify and classify properties. On this basis, properties can be adapted, in particular corrected, if this is technically possible, as is possible with the adaptation signal explained in more detail below.
  • the first eddy current sensor unit and the second eddy current sensor units in particular have individual sensors which are arranged and designed to generate and provide test signals on the basis of which conductivity differences can be identified so that the electromagnetic material properties can be detected.
  • sensor data from the first eddy current sensor unit and the second eddy current sensor unit can be evaluated in combination in order to enable improved recognition of properties based on the combined evaluation. This is preferably done by superimposing the sensor data and/or a data fusion, whereby the testing capability of the testing system can be expanded.
  • the first eddy current sensor unit has a first control unit and/or the second eddy current sensor unit has a second control unit and/or the test system has a control device which is/are set up to detect conductivity differences within the solidified powder material and to identify properties based on test signals from the first eddy current sensor unit and/or the second eddy current sensor unit. It is preferred that the first control unit and/or the second control unit and/or the control device are set up to generate and/or provide a property signal representing the identified property.
  • a preferred development of the test system is characterized in that the first eddy current sensor unit and/or the second eddy current sensor unit are arranged and designed to cause a sensor movement in a secondary direction, wherein the secondary direction is not aligned parallel to a main direction, in particular a feed direction, of the movement unit. It is preferred that the first eddy current sensor unit and/or the second eddy current sensor unit are arranged to be movable in the secondary direction. Alternatively or additionally, individual sensors of the first eddy current sensor unit and/or the second eddy current sensor unit can be arranged to be movable in the secondary direction.
  • a magnetic field sensor of the first eddy current sensor unit can be moved sideways back and forth during the test by a drive, in particular a linear motor, so that a zigzag movement is generated during the test. This would, for example, improve a geometric test.
  • the technical effect of the secondary movement is, among other things, that the direction dependence of the resolution is reduced and the resolution is improved.
  • the first eddy current sensor unit has excitation elements arranged in multiple rows, for example excitation wires, which are arranged in such a way that excitation currents aligned at an angle to one another can be effected with them in order to improve the identification of properties.
  • the first eddy current sensor unit has a first test resolution and the second Eddy current sensor unit has a second test resolution, wherein the first test resolution is higher, in particular many times higher, than the second test resolution.
  • the first and second test resolution are to be understood in particular as a measure of the level of detail of the test carried out with the first eddy current sensor unit and the second eddy current sensor unit.
  • a test resolution can be understood as a maximum measuring point distance.
  • the first test resolution is less than 100 micrometers. It may also be preferred that the second test resolution is less than 1 millimeter.
  • a further preferred development of the test system is characterized in that the size limit is between 15 micrometers and 100 micrometers, in particular between 20 micrometers and 50 micrometers. It has been found that a selection of a first eddy current sensor unit and a second eddy current sensor unit, which are differentiated by this size limit and/or their local test resolution, are particularly advantageous for detecting the different properties in solidified powder material.
  • the first eddy current sensor unit is a magnetic field sensor or comprises one.
  • the first eddy current sensor unit preferably comprises a plurality of magnetic field sensors.
  • the magnetic field sensors can be arranged as an array.
  • the magnetic field sensor can be, for example, a magnetoresistive sensor, a GMR (giant magnetoresistance) sensor, a TMR (magnetic tunnel resistance) sensor and/or a Hall sensor. It is preferred that the magnetic field sensor can be miniaturized.
  • the second eddy current sensor unit is an eddy current coil or comprises the same.
  • the eddy current coil may, for example, be a printed coil.
  • the second Eddy current sensor unit has two or more eddy current coils. It is preferred that in the second eddy current sensor unit the eddy current coils are also used as an excitation unit.
  • the combination of magnetic field sensors and eddy current coils advantageously enables the identification of large properties and smaller properties in the form of a collection of micro-defects.
  • the magnetic field sensors are arranged at a distance from the eddy current coils so that the eddy current coils have no or only a slight physical influence on the magnetic field sensors.
  • the influence of the eddy current coils on the magnetic field sensors can be influenced by additional elements.
  • the test unit is arranged and designed to detect the electromagnetic material property by means of the eddy current test during solidification, in particular during exposure and/or standstill and/or movement of the movement unit.
  • the test unit can be arranged, for example, in front of or behind the movement unit in the feed direction.
  • the movement unit can be, for example, a coating unit.
  • test system comprises a control device or the control device coupled to the test unit in terms of signal technology, which is set up to generate an adaptation signal, in particular a correction signal, based on an identified property, in particular an individual defect and/or a porous defect area, which represents an adaptation strategy, in particular a correction strategy, of the production system for adapting, in particular for eliminating, the property.
  • the adaptation signal is understood to mean any type of information carrier that is suitable for effecting the adaptation strategy of the production system.
  • the adaptation signal can, for example, be designed as a data set and/or represent a command.
  • the adaptation signal can also be based on an identification and/or classification of the Property, in particular the individual defect and/or the defect area.
  • control device is configured to optimize parameters of the manufacturing system based on the identified properties and/or based on the adaptation signal, so that the generation of properties is reduced or avoided.
  • the control device is preferably configured such that the adjustment signal causes an adjustment of production and/or machine parameters and/or process conditions.
  • the adjustment signal can cause process parameters such as scanner, exposure, binding and coating parameters, gas flow, preheating and/or build chamber pressure to be adjusted.
  • the adjustment signal can cause a renewed exposure and/or obstruction, in particular an adjusted exposure and/or obstruction, of properties.
  • the adjustment signal can also cause a change in the scanning strategy and/or a scanning pattern, a change in an exposure sequence, a change in a temporal sequence of the exposure, a renewed application of powder, an adjustment of the construction platform stroke or the layer thickness.
  • the adjustment signal can represent or cause the cancellation of individual components or an entire construction order.
  • the test system thus enables the adaptation, in particular the correction, of a property of the currently created layer, whereas existing approaches usually only allow the property to be influenced by further, already created layers. This enables a more direct and targeted influence on the properties.
  • the test system also enables not only the identification of defects or the testing of the integrity of the component and a status recording of the material properties within the test depth, but also enables the targeted derivation of measures for the active elimination of defects and the follow-up check of whether the elimination was successful. This is where the repeatability of the test comes into play. No Another in-situ testing system enables direct testing, derivation of measures as well as targeted healing and verification of this healing.
  • the control device is set up to control the testing unit in such a way that a predefined number of layers, in particular at predefined layer positions, are tested.
  • a testing system designed in this way makes it possible, for example, for layers 50 to 500 of a construction job to be tested, while the remaining layers are not tested due to their irrelevance for the component quality. This can be the case, for example, if the first layers are intended to connect the component to a construction platform and their properties are therefore not relevant. This further reduces the amount of data generated.
  • test unit is arranged and designed to identify a property adapted on the basis of the adaptation signal. Furthermore, it may be preferred that the control device is set up to generate a second adaptation signal based on the identified adapted property, which represents a second adaptation strategy of the production system for further adaptation of the adapted property.
  • test system comprises an excitation unit for causing the eddy current in the solidified powder material, wherein in normal operation one excitation unit is arranged next to or two excitation units are arranged on both sides of the first eddy current sensor unit at the same distance from the test surface.
  • the excitation unit is preferably arranged and designed to cause the eddy current in such a way that it has a penetration depth of greater than 100 micrometers, preferably more than 200 micrometers.
  • the eddy current sensor units are located between the powder bed and the excitation unit and/or in the same plane as the excitation unit parallel to the surface of the powder bed.
  • this has a topography measuring system for determining a topography of the solidified powder material, in particular a surface of the solidified powder material, which is configured to generate a topography signal characterizing a topography image that represents a distance of the solidified powder material to the test unit, wherein the property is further identified based on the topography image.
  • the topography measuring system can be, for example, a unit for strip light projection, a line scanner and/or a light field camera.
  • the distance of the solidified powder material to the test unit is determined in particular between the surface of the solidified powder material and the first and/or second eddy current sensor unit, in particular their individual sensors.
  • a further preferred embodiment of the test system is characterized in that the first eddy current sensor unit and the second eddy current sensor unit are arranged offset from one another.
  • they can have a pitch or distance. They can also be arranged in multiple rows.
  • the first eddy current sensor unit and the second eddy current sensor unit are arranged horizontally offset from one another during normal operation.
  • the individual sensors of the second eddy current sensor unit are arranged offset from one another.
  • the individual sensors can be arranged offset from one another orthogonally to a main movement direction, in particular in the feed direction, of the movement unit.
  • the first eddy current sensor unit and/or the second eddy current sensor unit have individual sensors, in particular the magnetic field sensors and/or eddy current coils, arranged and designed in such a way that they can be supplemented by at least one further individual sensor.
  • the test system has an application-specific integrated circuit that is coupled to the test unit in terms of signal technology and is designed to amplify, digitize, filter and/or provide signals recorded by the first eddy current measuring unit and/or the second eddy current measuring unit for further processing.
  • An advantage of the application-specific integrated circuit is its high integration density, so that it only takes up a small amount of space and the test unit can be miniaturized.
  • the control device is set up to identify a component edge and/or a contour of the component, in particular the solidified powder material, based on output signals from the first and/or second eddy current sensor unit.
  • the detection of component edges and contours is advantageously possible with the test system because loose powder material acts like an insulator during the measurements of the first and/or second eddy current sensor unit. Intelligent superposition and processing of both signals is therefore possible.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a manufacturing system for the additive production of a component by means of solidification of a powder material, comprising a construction chamber in which the powder material can be arranged, a solidification unit which is arranged and designed to solidify the powder material, in particular with a high-energy beam or a binding agent, a movement unit arranged to be movable above the powder material to be solidified, and a testing system according to one of the embodiments described above, wherein the testing unit is arranged on the movement unit.
  • the manufacturing system can preferably be controlled with the control device of the test system described above.
  • the The manufacturing system may have a control unit that receives and/or generates the adjustment signal mentioned above and the manufacturing system can be controlled by means of the adjustment signal.
  • the manufacturing system can be controlled or regulated in parallel with the process using the test system described above, so that the recognized properties of the currently generated layer and/or one of the previously generated layers are adjusted, in particular corrected, or a component or a construction order is canceled.
  • the solidification unit is preferably designed as an exposure unit for exposing the powder material. Alternatively or additionally, the solidification unit is designed for applying a binding agent.
  • the movement unit is a coating unit for forming a powder bed surface.
  • the coating unit has, for example, a smoothing function to form a flat powder bed surface. This function can be implemented, for example, with a coating lip.
  • the coating unit can have a powder material supply or be coupled to a powder material storage device such that the powder material can be fed to the coating unit.
  • the arrangement of the test unit on the coater has the advantage that the coater regularly travels over the powder bed and thus a complete process-parallel test of the solidified powder material is possible. In particular with unidirectional layer application, it is preferred that the test unit carries out a first test on an outward path and a second test on a return path to a starting position.
  • the movement unit is designed as at least one handling system, in particular a robot, for example with at least one robot arm.
  • the handling system is preferably arranged and designed to test those sections that are accessible while the powder material is still being solidified. The testing process could be partially or completely parallel to the solidification process. It is also preferred that the movement unit is or comprises the solidification unit.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a method for in-situ detection of properties within a solidified powder material, in particular with a testing system according to one of the embodiments described above, comprising the steps: detecting an electromagnetic material property of solidified powder material by means of an eddy current test, so that conductivity differences within the solidified powder material are detected in order to identify properties, wherein a first eddy current sensor unit is used to identify a property with a first property size greater than or equal to a size limit, in particular a single defect, and wherein a second eddy current sensor unit is used to identify a collection of properties with a second property size smaller than the size limit, in particular a porous defect area.
  • test signals are generated on the basis of which conductivity differences are recognized, so that the electromagnetic material property is detected.
  • the detection of the material property is preferably carried out with a first control unit of the first eddy current sensor unit and/or a second control unit of the second eddy current sensor unit and/or a control device.
  • the identification of the property is preferably carried out with the first control unit and/or the second control unit and/or the control device.
  • this comprises the steps: generating an adaptation signal, in particular a correction signal, based on an identified property, in particular an individual defect and/or a porous defect region, wherein the adaptation signal, in particular the correction signal, represents an adaptation strategy, in particular a correction strategy, of a manufacturing system for adapting the property and controlling the manufacturing system with the adaptation signal, in particular the correction signal, in order to adapt the property.
  • Figure 1 a schematic, two-dimensional view of an exemplary
  • Figure 2 a schematic, two-dimensional plan view of the manufacturing system shown in Figure 1;
  • Figure 3 another schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a manufacturing system
  • Figure 4 another schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a manufacturing system
  • Figure 5 a schematic, two-dimensional view of an exemplary
  • Figure 6 a schematic, two-dimensional view of an exemplary
  • Figure 7 a schematic, two-dimensional view of an exemplary
  • Figure 8 a schematic view of an exemplary method
  • Figure 9 a schematic view of another exemplary embodiment
  • Figures 1 to 3 show a manufacturing system 100 for the additive manufacture of a component 102 by means of exposure of a powder material 104.
  • the component 102 is formed by solidified powder material 104.
  • the powder material 104 is solidified with a high-energy beam 128.
  • the high-energy beam 128 can be a laser beam, for example.
  • the component 102 is produced in the powder bed 106.
  • powder material 104 is applied layer by layer using the movement unit 110 designed as a coater 112, whereby the thickness of the layer of powder material 104 can be in the micrometer or millimeter range.
  • the movement unit 110 is moved in the feed direction 118.
  • the table 124 then moves vertically downwards by one layer thickness with the adjustment unit 126 and a new layer of the powder material 104 can be produced with the coater 112.
  • the system is arranged on a frame 122.
  • properties 114, 116 are also regularly created.
  • Property 114 is shown as a single defect and property 116 is shown as a porous defect area with a large number of micro-defects. This process takes place in the construction chamber 107.
  • Figure 3 shows that a mirror element 120, which can be part of a scanner, is arranged in the beam path of the high-energy beam 128.
  • the mirror 120 can be used to direct the high-energy beam 128 to any position on the test surface formed as a powder bed surface 130.
  • the manufacturing system 100 further comprises the testing system 200.
  • the testing system 200 is designed for in-situ detection of the properties 114, 116 within the solidified powder material 102.
  • the testing system 200 comprises an eddy current-based testing unit 202 arranged on the movement unit 110.
  • the testing unit 202 is arranged and designed to detect an electromagnetic material property of the solidified powder material 102 by means of an eddy current test, so that conductivity differences within the solidified powder material 102 can be detected in order to identify the properties 114, 116 during additive manufacturing.
  • the eddy current 204 is by the test system 200 with an excitation unit 242 or an excitation unit not included in the test system 200.
  • the test unit 202 comprises a first eddy current sensor unit 210, which is arranged and designed to identify a property 114 with a first property size greater than or equal to a size limit, in particular a single defect.
  • the test unit 202 comprises a second eddy current sensor unit 230, which is arranged and designed to identify a collection of properties 116 with a second property size smaller than the size limit, in particular a porous defect region.
  • the test system 200 further comprises a control device 240 which is signal-coupled to the test unit 202 and which is configured to generate a correction signal based on an identified property 114, 116, which represents a correction strategy of the manufacturing system 100 for correcting the property 114, 116.
  • a control device 240 which is signal-coupled to the test unit 202 and which is configured to generate a correction signal based on an identified property 114, 116, which represents a correction strategy of the manufacturing system 100 for correcting the property 114, 116.
  • the test system 200 further comprises a topography measuring system 244 for determining a topography of the solidified powder material 104.
  • the topography measuring system 244 is configured to generate a topography image that represents a distance of the powder bed surface 130 to the test unit 202, wherein the property 114, 116 is further identified based on the topography image.
  • the arrangement of the topography measuring system 244 on the coater 112 is optional, since it can also be arranged in such a way that it can record the topography in the entire construction plane, for example from diagonally above the construction plane.
  • Figure 4 shows a manufacturing system 100 constructed essentially analogously to Figure 3, wherein the solidification unit is designed as a binder unit 246 for applying a binder 248.
  • the solidification unit is designed as a binder unit 246 for applying a binder 248.
  • a powder material 104 solidified using a metal binder jetting process can be tested using the testing system 200 described above.
  • the first eddy current sensor unit 210 comprises a plurality of magnetic field sensors 212.
  • the magnetic field sensors 212 are connected in pairs to application-specific integrated circuits 214. These Connection is shown in particular in Figure 6, wherein these connections are formed by means of connecting surfaces 222 and connecting wires 224.
  • the application-specific integrated circuits 214 are also connected to an FPGA 216, a control element 218 and a memory element 220.
  • the FPGA 216 can be used, for example, for pre-analysis and intermediate storage of the data generated by the magnetic field sensors 212 and for specifying a test frequency.
  • the FPGA acts as an interface converter between the ASICs and other units of the system.
  • the control element 218 is further coupled to a computing unit 206 by means of a data connection 207.
  • FIG. 7 shows the second eddy current sensor unit 230 in detail.
  • the second eddy current sensor unit 230 is constructed analogously to the first eddy current sensor unit 210.
  • the second eddy current sensor unit 230 comprises an eddy current coil 232, which is only shown schematically and which in turn is coupled to an FPGA 234, a control element 236 and a memory element 238.
  • the second eddy current sensor unit 230 preferably has several, preferably a large number of, eddy current coils 232.
  • Figure 8 shows a method for in-situ detection of properties 114, 116 within a powder material 102 solidified by means of a high-energy beam 128.
  • the method comprises the step 300: detecting an electromagnetic material property of solidified powder material 102 by means of an eddy current test, so that conductivity differences within the solidified powder material 102 are detected in order to identify properties 114, 116 during additive manufacturing.
  • a first eddy current sensor unit 210 is used to identify a property with a first property size and a second eddy current sensor unit 230 is used to identify a collection of properties.
  • the property 114 and/or the collection of properties 116 is detected based on the detected electromagnetic material property.
  • Figure 9 shows a preferred embodiment of the method described above.
  • a correction signal is generated based on the identified property 114, 116, in particular a Single defect and/or a porous defect region, wherein the correction signal represents a correction strategy of a manufacturing system 100 for correcting the property 114, 116.
  • the manufacturing system 100 is controlled with the correction signal in order to correct the property 114, 116.
  • test system 200 described above and the corresponding method enable a particularly advantageous detection of properties 114, 116 in a component produced from powder material 104. In particular, different property sizes can be reliably identified. Furthermore, the test system and the method enable a process-parallel control or regulation of an additive manufacturing process, since the amount of data generated and required is so small that real-time control is possible.

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Abstract

Prüfsystem (200) zur in-situ Erkennung von Eigenschaften (114, 116) innerhalb eines mittels eines energiereichen Strahls (128) verfestigten Pulvermaterials (104), umfassend eine an einer Bewegungseinheit (110) anordenbare wirbelstrombasierte Prüfeinheit (202), die angeordnet und ausgebildet ist, eine Materialeigenschaft von verfestigtem Pulvermaterial (104) mittels einer Wirbelstromprüfung zu detektieren, sodass Leitfähigkeitsunterschiede innerhalb des verfestigten Pulvermaterials (104) erkennbar sind, um Eigenschaften (114, 116) während der additiven Herstellung zu identifizieren, wobei die Prüfeinheit (202) eine erste Wirbelstromsensoreinheit (210) umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist, eine Eigenschaft mit einer ersten Eigenschaftsgröße größer-gleich einem Größengrenzwert zu identifizieren, insbesondere eine Einzelfehlstelle, und wobei die Prüfeinheit (202) eine zweite Wirbelstromsensoreinheit (230) umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist, eine Ansammlung von Eigenschaften mit einer zweiten Eigenschaftsgröße kleiner dem Größengrenzwert zu identifizieren, insbesondere einen porösen Fehlstellenbereich.

Description

Prüfsystem und Verfahren zur in-situ Erkennung von Eigenschaften innerhalb eines verfestigten Pulvermaterials
Die Erfindung betrifft ein Prüfsystem und ein Verfahren zur in-situ Erkennung von Eigenschaften innerhalb eines verfestigten Pulvermaterials sowie ein Fertigungssystem.
Prüfsysteme zur in-situ Erkennung von Eigenschaften innerhalb eines verfestigten Pulvermaterials sind grundsätzlich bekannt. Bei der additiven Herstellung von
Bauteilen aus einem Pulvermaterial wird dieses verfestigt, um insbesondere schichtweise das Bauteil zu erzeugen. Das Pulvermaterial kann beispielsweise mit einem energiereichen Strahl, insbesondere einem Laserstrahl, oder einem Bindemittel verfestigt werden.
Mit Thermografieverfahren können beispielsweise Fehlstellen detektiert werden, jedoch ist die Datenmenge derart umfangreich, dass eine echtzeitfähige Auswertung nicht oder lediglich eingeschränkt möglich ist. Ferner sind keine wiederholenden Prüfungen möglich. Darüber hinaus verfälschen Partikel im Strahlengang die Ergebnisse. Ein weiterer Nachteil der Thermografieverfahren ist, dass der erforderliche Prüfaufbau vergleichsweise teuer ist.
Ferner besteht die Möglichkeit, verfestigtes Pulvermaterial mit Ultraschall zu prüfen. Ein Nachteil der Ultraschallverfahren besteht darin, dass die erzielbare Prüfauflösung in der Regel nicht ausreichend ist. Darüber hinaus können Ultraschallprüfsonden lediglich unterhalb der Bodenplatte angeordnet werden, sodass eine eingeschränkte Zugänglichkeit zu berücksichtigen ist.
Mittels Computertomografieverfahren können Fehlstellen in der Regel präzise ermittelt werden, jedoch sind Computertomografieverfahren nicht in-situ einsetzbar und ferner vergleichsweise teuer. Darüber hinaus ist während der Prüfung ein Strahlenschutz erforderlich.
Mittels einer akustischen Emissionsanalyse können Fehlstellen in der Regel erkannt werden, jedoch ist die Bestimmung der exakten Fehlstellenposition lediglich eingeschränkt möglich. Darüber hinaus besteht in der Regel nicht die Möglichkeit einer Wiederholungsprüfung. Mit optischen Verfahren können ferner keine verdeckten Fehler ermittelt werden.
Die US 2016/9215 A1 offenbart ein System zur zerstörungsfreien Prüfung von additiv hergestellten Bauteilen, wobei ein elektromagnetisches Feld eingesetzt wird. Hierbei wird eine Wirbelstromprüfung durchgeführt, jedoch wird ein Aufbau vorgeschlagen, der eine derartig eingeschränkte Ortsauflösung bietet, dass eine präzise Feststellung von unterschiedlich ausgebildeten Fehlstellen in einem verfestigten Pulvermaterial nicht möglich ist.
Die DE 10 2016 201 290 A1 , DE 10 2011 111 818 A1 , EP 3 632 595 A 1 und US 2018/0264590 A1 offenbaren Vorrichtungen zur additiven Herstellung von Bauteilen mit Prüfeinheiten.
Es ist eine Anforderung aus der Industrie, additive Herstellungsprozesse mit einer geringen Ausschussquote und einer hohen Qualität einzusetzen, um unter anderem den nachgelagerten Prüfaufwand zu reduzieren. Insbesondere die derzeitig oftmals eingesetzte Computertomografie, beispielsweise für Bauteile der Medizintechnik oder der Luft- und Raumfahrttechnik, führt zu hohen Kosten und/oder einem hohen Zeiteinsatz. Es ist ferner eine Anforderung, die Prozessstabilität in der additiven Fertigung auf ein vergleichbares Niveau der konventionellen Fertigung zu heben, da die additive Fertigung hinsichtlich des Ressourceneinsatzes besondere Vorteile bietet.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Prüfsystem und ein Verfahren zur in- situ Erkennung von Eigenschaften innerhalb eines verfestigten Pulvermaterials und ein Fertigungssystem bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die eine sichere in-situ Erkennung von Eigenschaften in einem verfestigten Pulvermaterial ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Prüfsystem und einem Verfahren nach den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aspekte sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen offenbarten Merkmale sind einzeln, in beliebiger, technologisch sinnvollerweise miteinander kombinierbar, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Prüfsystem zur in-situ Erkennung von Eigenschaften innerhalb eines verfestigten Pulvermaterials, umfassend eine an einer Bewegungseinheit anordenbare wirbelstrombasierte Prüfeinheit, die angeordnet und ausgebildet ist, eine elektromagnetische Materialeigenschaft von verfestigten Pulvermaterial mittels einer Wirbelstromprüfung zu detektieren, sodass Leitfähigkeitsunterschiede innerhalb des verfestigten Pulvermaterials erkennbar sind, um Eigenschaften zu identifizieren, wobei die Prüfeinheit eine erste Wirbelstromsensoreinheit umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist, eine Eigenschaft mit einer ersten Eigenschaftsgröße größer-gleich einem Größengrenzwert zu identifizieren, insbesondere eine Einzelfehlstelle, und wobei die Prüfeinheit eine zweite Wirbelstromsensoreinheit umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist, eine Ansammlung von Eigenschaften mit einer zweiten Eigenschaftsgröße kleiner dem Größengrenzwert zu identifizieren, insbesondere einen porösen
Fehlstellenbereich.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Einzelfehlstellen und Ansammlungen von Mikrofehlstellen die häufigsten Ursachen für Ausschuss bei der pulverbasierten additiven Fertigung sind. Ferner lag der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass unterschiedliche wirbelstrombasierte Mechanismen zur Prüfung der im Vorherigen genannten Eigenschaften erforderlich sind, um eine sichere Identifikation zu gewährleisten. Durch den Einsatz von zwei unterschiedlichen Wirbelstromsensoreinheiten, nämlich der ersten und der zweiten Wirbelstromsensoreinheit, die zur Identifikation von Eigenschaften mit unterschiedlichen Eigenschaftsgrößen ausgebildet sind, kann diese Erkenntnis technisch in vorteilhafterweise genutzt werden.
Das Prüfsystem ermöglicht dadurch in-situ eine Anpassung, insbesondere eine Korrektur, der identifizierten Eigenschaften, wie im Folgenden noch näher erläutert wird. Ferner kann ein Bauauftrag oder ein Bauteil während der Herstellung und nach Erkennung einer Eigenschaft abgebrochen werden, sodass die kostenintensive additive Herstellung nach Erzeugung einer nicht anpassbaren bzw. korrigierbaren Eigenschaft abgebrochen wird. Darüber hinaus bietet das Prüfsystem den Vorteil, dass keine aufwändigen Prüfschritte nach Fertigstellung des Bauteils erforderlich sind, die üblicherweise mit einer Computertomografie hohe Kosten verursachen.
Ein Vorteil des wirbelstrombasierten Verfahrens besteht ferner darin, dass die Datenmenge der erzeugten Daten derart gering ist, sodass die Datenauswertung während der additiven Herstellung erfolgen kann, wodurch eine auf Basis eines Ergebnisses des Prüfsystems erfolgte Prozesssteuerung echtzeitfähig auszubilden ist. Ferner kann eine schichtweise Zuordnung der Eigenschaften erfolgen. Darüber hinaus kann durch die in-situ Erfassung der Eigenschaften eine Korrelation zwischen der Eigenschaft und den eingesetzten Prozessparametern sowie mit Sensoren der Fertigungsanlage festgestellten Prozesszuständen abgeleitet werden, sodass der additive Herstellungsprozess optimierbar ist. Insbesondere kann dies beispielsweise mit einer künstlichen Intelligenz erfolgen. Ferner kann der Prozess in-situ geregelt werden, wie im Weiteren noch näher erläutert wird. Darüber hinaus werden Prozessunterbrechungen und -abbrüche durch die Erhöhung der Prozessstabilität reduziert. Ferner ermöglicht eine derartige Prüfung eine digitale Fertigungsdokumentation.
Das Prüfsystem ist zur in-situ Erkennung von Eigenschaften innerhalb eines verfestigten Pulvermaterials ausgebildet. Unter einem verfestigten Pulvermaterial wird jegliches Pulvermaterial verstanden, dessen Pulverpartikel zumindest abschnittsweise miteinander verbunden sind. Ein verfestigtes Pulvermaterial kann beispielsweise durch gefügte und/oder verklebte Pulverpartikel ausgebildet sein. Das zu verfestigende Pulvermaterial ist insbesondere elektrisch leitfähig und/oder ferromagnetisch ausgebildet. Unter einer in-situ Prüfung und Erkennung von Eigenschaften wird insbesondere eine Prüfung während der Herstellung des Bauteils aus dem Pulvermaterial verstanden, beispielsweise zeitlich schichtweise einfach oder mehrfach zwischen der Erzeugung einer ersten Schicht und der Erzeugung einer letzten Schicht des Bauteils.
Unter Eigenschaften werden grundsätzlich alle Eigenschaften innerhalb des verfestigten Pulvermaterials verstanden. Eine Eigenschaft kann beispielsweise eine Inhomogenität oder eine Anomalie sein. Beispielsweise kann es sich bei einer Eigenschaft um eine Kavität, beispielsweise durch unvollständige Aufschmelzung, eine Gaspore, eine Mikroporosität, eine Materialeigenschaft, eine Delaminierung, eine geometrische Abweichung, eine verminderte Oberflächengüte, eine Verfärbung und/oder Eigenschaften im Materialgefüge handeln. Ferner kann eine Eigenschaft eine Geometrie, eine Bauteilkante oder eine Kontur des verfestigten Pulvermaterials bzw. des Bauteils sein.
Das Prüfsystem ist insbesondere für pulverbettbasierte additive Herstellungsverfahren ausgebildet. Das Prüfsystem ist insbesondere für ein additives Schichtbauverfahren geeignet, beispielsweise für ein Selektives Laserstrahlschmelzen (L-PBF), ein Selektives Elektronenstrahlschmelzen (E-PBF) oder ein Metal Binder Jetting (MBJ). Das Pulvermaterial kann beispielsweise mit einem energiereichen Strahl und/oder einem Bindemittel verfestigt werden. Der energiereiche Strahl ist vorzugsweise ein Laser- oder Elektronenstrahl. Unter einem verfestigten Pulvermaterial wird insbesondere ein solches Pulvermaterial verstanden, dessen Pulverpartikel zumindest teilweise miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschmolzen, sind.
Das Prüfsystem umfasst die wirbelstrombasierte Prüfeinheit. Unter einer wirbelstrombasierten Prüfeinheit wird grundsätzlich eine Prüfeinheit verstanden, die angeordnet und ausgebildet ist, auf Grundlage einer Wirbelstromprüfung eine Eigenschaft zu erkennen. Die Prüfeinheit ist vorzugsweise angeordnet und ausgebildet, ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, das in eine zu prüfende Oberfläche eindringt, innerhalb des Materials einen Wirbelstrom erzeugt und die Rückwirkung dieses Wirbelstroms misst sowie zur Materialprüfung verwendet.
Der erzeugte Wirbelstrom wirkt durch sein eigenes Magnetfeld entgegen dem Erzeugerstrom, sodass diese Unterschiede mit der Prüfeinheit erfassbar sind. Insbesondere sind mit der wirbelstrombasierten Prüfeinheit Unterschiede der elektromagnetischen Eigenschaften innerhalb des verfestigten Pulvermaterials erkennbar. Beispielsweise weist eine Pore eine von dem die Pore umgebenden verfestigten Pulvermaterial abweichende elektrische Leitfähigkeit auf. Von einem erkannten Unterschied der elektrischen Leitfähigkeit kann somit auf eine Eigenschaft geschlossen werden.
Bei der bestimmungsgemäßen Anwendung des Prüfsystems kann die Prüfeinheit beispielsweise einen Wirbelstrom in das verfestigte Pulvermaterial induzieren. Die Rückwirkung dieses Wirbelstromes wird anschließend gemessen. Ferner können Veränderungen des Wirbelstroms erkannt werden und auf Basis dessen Leitfähigkeitsunterschiede erkannt werden. Eine entsprechende Auswertung der erkannten Leitfähigkeitsunterschiede lässt wiederum auf Eigenschaften, insbesondere Fehlstellen, schließen. Alternativ zur Prüfeinheit, die den Wirbelstrom induziert, kann auch eine zusätzliche Anregungseinheit vorgesehen sein.
Die Prüfeinheit ist an einer Bewegungseinheit anordenbar. Dies bedeutet insbesondere, dass die Prüfeinheit ausgebildet ist, an einer über einem Pulverbett zu verfahrenden Bewegungseinheit angeordnet zu werden.
Die wirbelstrombasierte Prüfeinheit ist angeordnet und ausgebildet, eine elektromagnetische Materialeigenschaft von verfestigtem Pulvermaterial mittels einer Wirbelstromprüfung zu detektieren. Somit können Leitfähigkeitsunterschiede innerhalb des verfestigten Pulvermaterials erkannt werden, um Eigenschaften zu identifizieren. Es ist insbesondere bevorzugt, dass Änderungen der elektromagnetischen Materialeigenschaft detektiert werden.
Die Prüfeinheit umfasst die erste Wirbelstromsensoreinheit. Die Wirbelstromsensoreinheit ist angeordnet und ausgebildet, insbesondere im bestimmungsgemäßen Betrieb, eine Eigenschaft mit einer ersten Eigenschaftsgröße größer-gleich einem Größengrenzwert zu identifizieren. Die erste Wirbelstromsensoreinheit ist insbesondere angeordnet und ausgebildet, eine Einzelfehlstelle, wie beispielsweise eine Einzelpore, zu erkennen. Die erste Wirbelstromsensoreinheit ist vorzugsweise angeordnet und ausgebildet, ein Magnetfeld an der Wirbelstromsensoreinheit zu messen, das durch den Verlauf der Wirbelströme im verfestigten Pulvermaterial beeinflusst wird. Ein durch eine Eigenschaft gestörter Wirbelstrompfad im verfestigten Pulvermaterial führt zu einem Messeffekt am Ort des Sensors. Insbesondere ist die erste Wirbelstromsensoreinheit dadurch ausgebildet, um größere Eigenschaften zu identifizieren. Daher ist die erste Wirbelstromsensoreinheit ausgebildet, um solche Eigenschaften zu identifizieren, die größer-gleich dem Größengrenzwert sind. Es ist bevorzugt, dass die erste Wirbelstromsensoreinheit miniaturisierbar ist. Vorzugsweise umfasst die erste Wirbelstromsensoreinheit ein, zwei oder mehrere Wirbelstromsensoren.
Die Prüfeinheit umfasst ferner die zweite Wirbelstromsensoreinheit. Die zweite Wirbelstromsensoreinheit ist angeordnet und ausgebildet, eine Ansammlung von Eigenschaften zu identifizieren. Eine Ansammlung von Eigenschaften kann beispielsweise eine Porosität sein, die beispielsweise durch Mikroporen ausgebildet wird. Die zweite Wirbelstromsensoreinheit ist vorzugsweise ausgebildet, eine Impedanz einer Wirbelstromspule zu messen, um eine von einem Gegenfeld der Wirbelströme hervorgerufene Veränderung der Impedanz zu detektieren. Die zweite Wirbelstromsensoreinheit weist vorzugsweise ein integrierendes Verhalten auf, sodass in vorteilhafterweise Fehlstellenbereiche identifizierbar sind. Die zweite Wirbelstromsensoreinheit ist vorzugsweise miniaturisierbar. Vorzugsweise umfasst die zweite Wirbelstromsensoreinheit ein, zwei oder mehrere Wirbelstromsensoren. Die Prüfeinheit, die erste Wirbelstromsensoreinheit und/oder die zweite Wirbelstromsensoreinheit ist beziehungsweise sind vorzugsweise zur Erzeugung von Eigenschaftssignalen repräsentierend eine Eigenschaft ausgebildet. Unter einem Signal ist jegliche Art eines Informationsträgers zu verstehen. Das Eigenschaftssignal kann beispielsweise als ein Datensatz ausgebildet sein. Das Eigenschaftssignal wird vorzugsweise dauerhaft bereitgestellt, sodass eine Änderung des Eigenschaftssignals auf eine Eigenschaft schließen lässt.
Insbesondere kann durch eine Signalstärke, vorzugsweise eine konstante Signalstärke, auf Eigenschaften des verfestigten Pulvermaterials geschlossen werden. Ein Offset in der Signalstärke kann eine Verringerung der Materialdichte charakterisieren. Um diesen Wert zu maximieren, können Parametervariationen zur Erlangung eines Optimums durchgeführt werden, insbesondere eine Maximierung der Dichte des Bauteils.
Ferner ist die Prüfeinheit, die erste Wirbelstromsensoreinheit und/oder die zweite Wirbelstromsensoreinheit vorzugsweise ausgebildet, die Eigenschaftssignale einer Steuerungsvorrichtung bereitzustellen. Die Steuerungsvorrichtung, wie sie im Folgenden noch näher erläutert wird, ist vorzugsweise eingerichtet, Eigenschaften zu identifizieren und zu klassifizieren. Auf Basis dessen können Eigenschaften, falls dies technisch möglich ist, angepasst, insbesondere korrigiert, werden, wie es mit dem im Folgenden noch näher erläuterten Anpassungssignal möglich ist.
Die erste Wirbelstromsensoreinheit und die zweite Wirbelstromsensoreinheiten weisen insbesondere Einzelsensoren auf, die angeordnet und ausgebildet sind, Prüfsignale zu erzeugen und bereitzustellen, auf Basis derer Leitfähigkeitsunterschiede erkennbar sind, sodass die elektromagnetischen Materialeigenschaften detektierbar sind.
Es ist bevorzugt, dass Sensordaten der ersten Wirbelstromsensoreinheit und der zweiten Wirbelstromsensoreinheit kombiniert auswertbar sind, um basierend auf der kombinierten Auswertung eine verbesserte Erkennung von Eigenschaften zu ermöglichen. Diese erfolgt vorzugsweise mittels Überlagerung der Sensordaten und/oder einer Datenfusion, wodurch die Prüffähigkeit des Prüfsystems erweiterbar ist. Es ist bevorzugt, dass die erste Wirbelstromsensoreinheit eine erste Steuereinheit und/oder die zweite Wirbelstromsensoreinheit eine zweite Steuereinheit und/oder das Prüfsystem eine Steuerungsvorrichtung aufweist, die eingerichtet ist bzw. sind, basierend auf Prüfsignalen der ersten Wirbelstromsensoreinheit und/oder der zweiten Wirbelstromsensoreinheit Leitfähigkeitsunterschiede innerhalb des verfestigten Pulvermaterials zu erkennen und Eigenschaften zu identifizieren. Es ist bevorzugt, dass die erste Steuereinheit und/oder die zweite Steuereinheit und/oder die Steuerungsvorrichtung eingerichtet sind, ein Eigenschaftssignal repräsentierend die identifizierte Eigenschaft zu erzeugen und/oder bereitzustellen.
Eine bevorzugte Fortbildung des Prüfsystems zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Wirbelstromsensoreinheit und/oder die zweite Wirbelstromsensoreinheit angeordnet und ausgebildet sind, eine Sensorbewegung in einer Nebenrichtung zu bewirken, wobei die Nebenrichtung nichtparallel zu einer Hauptrichtung, insbesondere einer Vorschubrichtung, der Bewegungseinheit ausgerichtet ist. Es ist bevorzugt, dass die erste Wirbelstromsensoreinheit und/oder die zweite Wirbelstromsensoreinheit in der Nebenrichtung bewegbar angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend können Einzelsensoren der ersten Wirbelstromsensoreinheit und/oder der zweiten Wirbelstromsensoreinheit in der Nebenrichtung bewegbar angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Magnetfeldsensor der ersten Wirbelstromsensoreinheit bei der Prüfung durch einen Antrieb, insbesondere einen Linearmotor seitlich hin- und herbewegt werden, sodass eine Zick-Zack Bewegung bei der Prüfung erzeugt wird. Dies würde zum Beispiel eine geometrische Prüfung verbessern. Der technische Effekt der Nebenbewegung besteht unter anderem darin, dass die Richtungsabhängigkeit der Auflösung reduziert und die Auflösung verbessert wird.
Es ist bevorzugt, dass die erste Wirbelstromsensoreinheit mehrreihig angeordnete Anregungselemente, beispielsweise Anregungsdrähte, aufweist, die derart angeordnet sind, dass mit diesen gewinkelt zueinander ausgerichtete Anregungsströme bewirkbar sind, um die Identifikation von Eigenschaften zu verbessern.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Prüfsystems ist vorgesehen, dass die erste Wirbelstromsensoreinheit eine erste Prüfauflösung und die zweite Wirbelstromsensoreinheit eine zweite Prüfauflösung aufweist, wobei die erste Prüfauflösung höher, insbesondere um ein Vielfaches höher, ist als die zweite Prüfauflösung.
Unter der ersten und zweiten Prüfauflösung ist insbesondere ein Maß für die Detailgenauigkeit der mit der ersten Wirbelstromsensoreinheit und der zweiten Wirbelstromsensoreinheit erfolgten Prüfung zu verstehen. Je höher die Prüfauflösung der Wirbelstromsensoreinheiten ausgebildet ist, je genauer kann die Prüfung durchgeführt werden und je kleiner können die identifizierbaren Eigenschaften sein. Ferner kann unter einer Prüfauflösung ein maximaler Messpunktabstand verstanden werden.
Es ist bevorzugt, dass die erste Prüfauflösung kleiner 100 Mikrometer beträgt. Ferner kann es bevorzugt sein, dass die zweite Prüfauflösung kleiner 1 Millimeter beträgt.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Prüfsystems zeichnet sich dadurch aus, dass der Größengrenzwert zwischen 15 Mikrometern und 100 Mikrometern, insbesondere zwischen 20 Mikrometern und 50 Mikrometern, beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass eine Auswahl einer ersten Wirbelstromsensoreinheit und einer zweiten Wirbelstromsensoreinheiten, die durch diesen Größengrenzwert und/oder ihre örtliche Prüfauflösung unterschieden werden, in besonders vorteilhafter Weise zur Erkennung der unterschiedlichen Eigenschaften in verfestigtem Pulvermaterial geeignet sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Prüfsystems ist vorgesehen, dass die erste Wirbelstromsensoreinheit ein Magnetfeldsensor ist oder diesen umfasst. Vorzugsweise umfasst die erste Wirbelstromsensoreinheit eine Vielzahl an Magnetfeldsensoren. Die Magnetfeldsensoren können als Array angeordnet werden. Der Magnetfeldsensor kann beispielsweise ein magnetoresistiver Sensor, ein GMR- (Riesenmagnetwiederstand-) Sensor, ein TMR- (magnetischer Tunnelwiderstands-) Sensor und/oder ein Hall-Sensor sein. Es ist bevorzugt, dass der Magnetfeldsensor miniaturisierbar ist.
Ferner kann es bevorzugt sein, dass die zweite Wirbelstromsensoreinheit eine Wirbelstromspule ist oder diese umfasst. Die Wirbelstromspule kann beispielsweise eine gedruckte Spule sein. Es ist ferner bevorzugt, dass die zweite Wirbelstromsensoreinheit zwei oder mehr Wirbelstromspulen aufweist. Es ist bevorzugt, dass bei der zweiten Wirbelstromsensoreinheit die Wirbelstromspulen auch als Anregungseinheit verwendet werden.
Insbesondere die Kombination aus Magnetfeldsensoren und Wirbelstromspulen ermöglicht in vorteilhafterweise die Identifikation von großen Eigenschaften und von kleineren Eigenschaften in Form einer Ansammlung von Mikrofehlstellen.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfeldsensoren beabstandet von den Wirbelstromspulen angeordnet sind, sodass die Wirbelstromspulen die Magnetfeldsensoren physikalisch nicht oder lediglich geringfügig beeinflussen. Darüber hinaus kann der Einfluss der Wirbelstromspulen auf die Magnetfeldsensoren durch zusätzliche Elemente beeinflusst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Prüfeinheit angeordnet und ausgebildet ist, während der Verfestigung, insbesondere einer Belichtung und/oder eines Stillstands und/oder eines Bewegens der Bewegungseinheit, die elektromagnetische Materialeigenschaft mittels der Wirbelstromprüfung zu detektieren. Die Prüfeinheit kann beispielsweise in Vorschubrichtung vor oder hinter der Bewegungseinheit angeordnet werden. Die Bewegungseinheit kann beispielsweise eine Beschichtereinheit sein.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Prüfsystems zeichnet sich dadurch aus, dass dieses eine oder die mit der Prüfeinheit signaltechnisch gekoppelte Steuerungsvorrichtung umfasst, die eingerichtet ist, basierend auf einer identifizierten Eigenschaft, insbesondere einer Einzelfehlstelle und/oder einem porösen Fehlstellenbereich, ein Anpassungssignal, insbesondere ein Korrektursignal, zu erzeugen, das eine Anpassungsstrategie, insbesondere eine Korrekturstrategie, des Fertigungssystems zur Anpassung, insbesondere zur Behebung, der Eigenschaft repräsentiert.
Unter dem Anpassungssignal ist jegliche Art eines Informationsträgers zu verstehen, das geeignet ist, die Anpassungsstrategie des Fertigungssystems zu bewirken. Das Anpassungssignal kann beispielsweise als ein Datensatz ausgebildet sein und/oder einen Befehl repräsentieren. Das Anpassungssignal kann darüber hinaus auf einer Identifikation und/oder Klassifikation der Eigenschaft, insbesondere der Einzelfehlstelle und/oder des Fehlstellenbereichs basieren.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, Parameter des Fertigungssystems basierend auf den identifizierten Eigenschaften und/oder basierend auf dem Anpassungssignal zu optimieren, sodass die Erzeugung von Eigenschaften vermindert oder vermieden wird.
Die Steuerungsvorrichtung ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass das Anpassungssignal eine Anpassung von Fertigungs- und/oder Maschinenparametern und/oder Prozessbedingungen bewirkt. Beispielsweise kann das Anpassungssignal bewirken, dass Prozessparameter, wie beispielsweise Scanner-, Belichtungs-, Bebinderungs- und Beschichtungsparameter, Gasfluss, Vorwärmung und/oder Baukammerdruck, angepasst werden.
Ferner kann das Anpassungssignal eine erneute Belichtung und/oder Behinderung, insbesondere eine angepasste Belichtung und/oder Behinderung, von Eigenschaften bewirken. Das Anpassungssignal kann ferner eine Änderung der Scanstrategie und/oder eines Scanmusters, einer Änderung einer Belichtungsreihenfolge, eine Änderung einer zeitlichen Abfolge der Belichtung, ein erneuter Pulverauftrag, eine Anpassung des Bauplattformhubs beziehungsweise der Schichtdicke bewirken. Ferner kann das Anpassungssignal den Abbruch von einzelnen Bauteilen oder eines gesamten Bauauftrages repräsentieren oder bewirken.
Das Prüfsystem ermöglicht somit die Anpassung, insbesondere die Korrektur, einer Eigenschaft der aktuell erzeugten Schicht, wohingegen bestehende Ansätze in der Regel erst eine Beeinflussung der Eigenschaft durch weitere, bereits erzeugte Schichten hindurch ermöglichen. Somit wird eine direktere und gezieltere Beeinflussung der Eigenschaften ermöglicht. Das Prüfsystem ermöglicht ferner nicht nur die Identifikation von Fehlstellen bzw. die Prüfung der Integrität des Bauteils und eine Zustandserfassung der Materialeigenschaften innerhalb der Prüftiefe, sondern ermöglicht auch die gezielte Ableitung von Maßnahmen zur aktiven Behebung der Fehlstellen sowie die Nachkontrolle, ob die Behebung erfolgreich war. Hier kommt die Wiederholbarkeit der Prüfung zum Tragen. Kein anderes in-situ Prüfsystem ermöglicht eine direkte Prüfung, Ableitung von Maßnahmen sowie eine gezielte Ausheilung und Überprüfung dieser Ausheilung.
In einer bevorzugten Fortbildung des Prüfsystems ist vorgesehen, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, die Prüfeinheit derart anzusteuern, dass eine vordefinierte Anzahl an Schichten, insbesondere an vordefinierten Schichtpositionen, geprüft werden. Durch ein derartig ausgebildetes Prüfsystem besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass die Schichten 50 bis 500 eines Baujobs geprüft werden, währenddessen die übrigen Schichten aufgrund ihrer Irrelevanz für die Bauteilqualität nicht geprüft werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die ersten Schichten zur Anbindung des Bauteils an eine Bauplattform vorgesehen sind und somit deren Eigenschaften nicht relevant sind. Dadurch wird die erzeugte Datenmenge weiter reduziert.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Prüfsystems zeichnet sich dadurch aus, dass die Prüfeinheit angeordnet und ausgebildet ist, eine auf Grundlage des Anpassungssignals angepasste Eigenschaft zu identifizieren. Ferner kann es bevorzugt sein, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, basierend auf der identifizierten angepassten Eigenschaft ein zweites Anpassungssignal zu erzeugen, das eine zweite Anpassungsstrategie des Fertigungssystems zur weiteren Anpassung der angepassten Eigenschaft repräsentiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Prüfsystems ist vorgesehen, dass dieses eine Anregungseinheit zur Bewirkung des Wirbelstroms in dem verfestigten Pulvermaterial umfasst, wobei im bestimmungsgemäßen Betrieb eine Anregungseinheit neben oder zwei Anregungseinheiten beidseitig von der ersten Wirbelstromsensoreinheit in gleichem Abstand zur Prüfoberfläche angeordnet ist bzw. sind.
Diese Anordnung ermöglicht eine besonders geringe Beabstandung der Wirbelstromsensoreinheiten zu der Prüfoberfläche, insbesondere einer Pulverbettoberfläche, sodass die Wirbelstromprüfung in vorteilhafterweise ermöglicht wird. Die Anregungseinheit ist vorzugsweise angeordnet und ausgebildet, den Wirbelstrom derart zu bewirken, dass dieser eine Eindringtiefe von größer 100 Mikrometer, vorzugsweise mehr als 200 Mikrometer aufweist. Im bestimmungsgemäßen Betrieb befinden sich die Wirbelstromsensoreinheiten zwischen dem Pulverbett und der Anregungseinheit und/oder in der gleichen Ebene wie die Anregungseinheit parallel zur Oberfläche des Pulverbetts.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Prüfsystems ist vorgesehen, dass dieses ein Topografiemesssystem zur Ermittlung einer Topografie des verfestigten Pulvermaterials, insbesondere einer Oberfläche des verfestigten Pulvermaterials, das eingerichtet ist, ein Topografiesignal charakterisierend ein Topografieabbild zu erzeugen, das einen Abstand des verfestigten Pulvermaterials zu der Prüfeinheit repräsentiert, wobei die Eigenschaft weiter basierend auf dem Topografieabbild identifiziert wird.
Das Topografiemesssystem kann beispielsweise eine Einheit zur Streifenlichtprojektion, ein Linienscanner und/oder eine Lichtfeldkamera sein. Der Abstand des verfestigten Pulvermaterials zu der Prüfeinheit wird insbesondere zwischen der Oberfläche des verfestigten Pulvermaterials und der ersten und/oder zweiten Wirbelstromsensoreinheit, insbesondere deren Einzelsensoren, ermittelt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Prüfsystems zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Wirbelstromsensoreinheit und die zweite Wirbelstromsensoreinheit versetzt zueinander angeordnet sind. Beispielsweise können diese einen Pitch bzw. Abstand aufweisen. Ferner können diese mehrreihig angeordnet sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die erste Wirbelstromsensoreinheit und die zweite Wirbelstromsensoreinheit im bestimmungsgemäßen Betrieb horizontal zueinander versetzt angeordnet sind. Insbesondere sind bei der zweiten Wirbelstromsensoreinheit deren Einzelsensoren versetzt zueinander angeordnet. Im bestimmungsgemäßen Betrieb können die Einzelsensoren orthogonal zu einer Hauptbewegungsrichtung, insbesondere in Vorschubrichtung, der Bewegungseinheit zueinander versetzt angeordnet sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Prüfsystems ist vorgesehen, dass die erste Wirbelstromsensoreinheit und/oder die zweite Wirbelstromsensoreinheit derart angeordnete und ausgebildete Einzelsensoren, insbesondere die Magnetfeldsensoren und/oder Wirbelstromspulen, aufweisen, dass diese um mindestens einen weiteren Einzelsensor ergänzbar sind. Mit einer derartigen Anordnung und Ausbildung der Wirbelstromsensoreinheiten sind diese individuell erweiterbar, sodass verschiedene Anforderungen der additiven Fertigung adressiert werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Prüfsystem eine mit der Prüfeinheit signaltechnisch gekoppelte anwendungsspezifische integrierte Schaltung aufweist, die eingerichtet ist, von der ersten Wirbelstrommesseinheit und/oder der zweiten Wirbelstrommesseinheit aufgenommenen Signale zu verstärken, zu digitalisieren, zu filtern und/oder zur weiteren Verarbeitung bereitzustellen.
Ein Vorteil der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung ist deren hohe Integrationsdichte, sodass diese lediglich einen geringen Raum beansprucht, sodass die Prüfeinheit miniaturisierbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Prüfsystems ist vorgesehen, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, eine Bauteilkante und/oder eine Kontur des Bauteils, insbesondere des verfestigten Pulvermaterials, basierend auf Ausgangssignalen der ersten und/oder zweiten Wirbelstromsensoreinheit zu identifizieren. Die Erfassung von Bauteilkanten und Konturen ist mit dem Prüfsystem in vorteilhafterweise möglich, da loses Pulvermaterial bei den Messungen der ersten und/oder der zweiten Wirbelstromsensoreinheit wie ein Isolator wirkt. Eine intelligente Überlagerung und Verarbeitung beider Signale sind daher möglich.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Fertigungssystem zur additiven Herstellung eines Bauteils mittels Verfestigung eines Pulvermaterials, umfassend eine Baukammer, in der das Pulvermaterial anordenbar ist, eine Verfestigungseinheit, die angeordnet und ausgebildet ist, das Pulvermaterial zu verfestigen, insbesondere mit einem energiereichen Strahl oder einem Bindemittel, eine über dem zu verfestigenden Pulvermaterial verfahrbar angeordnete Bewegungseinheit, und ein Prüfsystem nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten, wobei die Prüfeinheit an der Bewegungseinheit angeordnet ist.
Das Fertigungssystem kann vorzugsweise mit der im Vorherigen beschriebenen Steuerungsvorrichtung des Prüfsystems gesteuert werden. Alternativ kann das Fertigungssystem eine Steuerungseinheit aufweisen, die das im Vorherigen genannte Anpassungssignal empfängt und/oder erzeugt und mittels des Anpassungssignal das Fertigungssystem steuerbar ist. Das Fertigungssystem kann mit dem im Vorherigen beschriebene Prüfsystem prozessparallel gesteuert oder geregelt werden, sodass die erkannten Eigenschaften der aktuell erzeugten Schicht und/oder einer der zuvor erzeugten Schichten angepasst, insbesondere korrigiert, werden oder ein Bauteil oder ein Bauauftrag abgebrochen wird.
Die Verfestigungseinheit ist vorzugsweise als eine Belichtungseinheit zur Belichtung des Pulvermaterials ausgebildet. Alternativ oder ergänzend ist die Verfestigungseinheit zur Applikation eines Bindemittels ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Fertigungssystems ist vorgesehen, dass die Bewegungseinheit eine Beschichtereinheit zur Ausbildung einer Pulverbettoberfläche ist. Die Beschichtereinheit hat beispielsweise eine glättende Funktion, um eine ebene Pulverbettoberfläche auszubilden. Diese Funktion kann beispielsweise mit einer Beschichterlippe ausgebildet werden. Darüber hinaus kann die Beschichtereinheit einen Pulvermaterialvorrat aufweisen oder mit einem Pulvermaterialspeicher derart gekoppelt sein, dass das Pulvermaterial der Beschichtereinheit zuführbar ist. Die Anordnung der Prüfeinheit an dem Beschichter hat den Vorteil, dass der Beschichter das Pulverbett regelmäßig abfährt und somit eine vollständige prozessparallele Prüfung des verfestigten Pulvermaterials möglich ist. Insbesondere bei einem unidirektionalen Schichtauftrag ist es bevorzugt, dass die Prüfeinheit eine erste Prüfung bei einem Hinweg und eine zweite Prüfung auf einem Rückweg zu einer Ausgangslage durchführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist die Bewegungseinheit als mindestens ein Handhabungssystem, insbesondere ein Roboter, beispielsweise mit mindestens einem Roboterarm, ausgebildet. Das Handhabungssystem ist vorzugsweise angeordnet und ausgebildet, solche Abschnitte bereits zu prüfen, die während der noch laufenden Verfestigung des Pulvermaterials zugänglich sind. Der Prüfprozess würde mit dem Verfestigungsprozess teilweise oder gänzlich parallelisierbar. Ferner ist es bevorzugt, dass die Bewegungseinheit die Verfestigungseinheit ist oder umfasst. Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur in-situ Erkennung von Eigenschaften innerhalb eines verfestigten Pulvermaterials, insbesondere mit einem Prüfsystem nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten, umfassend die Schritte: Detektieren einer elektromagnetischen Materialeigenschaft von verfestigten Pulvermaterial mittels einer Wirbelstromprüfung, sodass Leitfähigkeitsunterschiede innerhalb des verfestigten Pulvermaterials erkannt werden, um Eigenschaften zu identifizieren, wobei mit einer ersten Wirbelstromsensoreinheit eine Eigenschaft mit einer ersten Eigenschaftsgröße größer-gleich einem Größengrenzwert identifiziert wird, insbesondere eine Einzelfehlstelle, und wobei mit einer zweiten Wirbelstromsensoreinheit einer Ansammlung von Eigenschaften mit einer zweiten Eigenschaftsgröße kleiner dem Größengrenzwert identifiziert werden, insbesondere ein poröser Fehlstellenbereich.
Es ist bevorzugt, dass Prüfsignale erzeugt werden, auf Basis derer Leitfähigkeitsunterschiede erkannt werden, sodass die elektromagnetische Materialeigenschaft detektiert wird. Die Detektion der Materialeigenschaft wird vorzugsweise mit einer ersten Steuereinheit der ersten Wirbelstromsensoreinheit und/oder einer zweiten Steuereinheit der zweiten Wirbelstromsensoreinheit und/oder einer Steuerungsvorrichtung durchgeführt. Ferner erfolgt die Identifikation der Eigenschaft vorzugsweise mit der ersten Steuereinheit und/oder der zweiten Steuereinheit und/oder der Steuerungsvorrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens umfasst dieses die Schritte: Erzeugen eines Anpassungssignals, insbesondere eines Korrektursignals, basierend auf einer identifizierten Eigenschaft, insbesondere einer Einzelfehlstelle und/oder einem porösen Fehlstellenbereich, wobei das Anpassungssignal, insbesondere das Korrektursignal, eine Anpassungsstrategie, insbesondere eine Korrekturstrategie, eines Fertigungssystems zur Anpassung der Eigenschaft repräsentiert und Ansteuern des Fertigungssystems mit dem Anpassungssignal, insbesondere dem Korrektursignal, um die Eigenschaft anzupassen.
Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der einzelnen Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die erfolgte Beschreibung zu den weiteren Aspekten, den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform eines Fertigungssystems;
Figur 2: eine schematische, zweidimensionale Draufsicht des in Figur 1 gezeigten Fertigungssystems;
Figur 3: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fertigungssystems;
Figur 4: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fertigungssystems;
Figur 5: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform einer ersten Wirbelstromsensoreinheit;
Figur 6: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform einer Verbindung zwischen einem Magnetfeldsensor und einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung;
Figur 7: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften
Ausführungsform einer zweiten Wirbelstromsensoreinheit;
Figur 8: eine schematische Ansicht eines beispielhaften Verfahrens; und
Figur 9: eine schematische Ansicht eines weiteren beispielhaften
Verfahrens.
In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche beziehungsweise -ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In den Figuren 1 bis 3 ist ein Fertigungssystem 100 zur additiven Herstellung eines Bauteils 102 mittels Belichtung eines Pulvermaterials 104 gezeigt. Das Bauteil 102 wird durch verfestigtes Pulvermaterial 104 ausgebildet. Das Pulvermaterial 104 wird mit einem energiereichen Strahl 128 verfestigt. Der energiereiche Strahl 128 kann beispielsweise ein Laserstrahl sein. Das Bauteil 102 wird in dem Pulverbett 106 erzeugt. Hierfür wird mit der als Beschichter 112 ausgebildeten Bewegungseinheit 110 schichtweise Pulvermaterial 104 aufgetragen, wobei die Stärke der Schicht des Pulvermaterials 104 im Mikrometer- oder Millimeterbereich liegen kann. Die Bewegungseinheit 110 wird in Vorschubrichtung 118 bewegt.
Nachdem eine Schicht des Pulvermaterials 104 aufgetragen wurde, wird dieses selektiv mit der Belichtungseinheit 108 belichtet und dadurch in der Regel aufgeschmolzen. Anschließend verfährt der Tisch 124 mit der Verstelleinheit 126 um eine Schichtdicke vertikal nach unten und eine neue Schicht des Pulvermaterials 104 kann mit dem Beschichter 112 erzeugt werden. Die Anlage ist an einem Gestell 122 angeordnet.
Durch das Belichten des Pulvermaterials 104 mit dem energiereichen Strahl 128 entstehen regelmäßig auch Eigenschaften 114, 116. Die Eigenschaft 114 ist als eine Einzelfehlstelle und die Eigenschaft 116 ist als ein poröser Fehlstellenbereich mit einer Vielzahl an Mikrofehlstellen dargestellt. Dieser Prozess erfolgt in der Baukammer 107.
In Figur 3 ist gezeigt, dass im Strahlengang des energiereichen Strahls 128 ein Spiegelelement 120 angeordnet ist, der beispielsweise Teil eines Scanners sein kann. Mit dem Spiegel 120 kann der energiereiche Strahl 128 auf eine beliebige Position der als Pulverbettoberfläche 130 ausgebildeten Prüfoberfläche gerichtet werden.
Das Fertigungssystem 100 umfasst darüber hinaus das Prüfsystem 200. Das Prüfsystem 200 ist zur in-situ Erkennung der Eigenschaften 114, 116 innerhalb des verfestigten Pulvermaterials 102 ausgebildet. Das Prüfsystem 200 umfasst eine an der Bewegungseinheit 110 angeordnete wirbelstrombasierte Prüfeinheit 202. Die Prüfeinheit 202 ist angeordnet und ausgebildet, eine elektromagnetische Materialeigenschaft des verfestigten Pulvermaterials 102 mittels einer Wirbelstromprüfung zu detektieren, sodass Leitfähigkeitsunterschiede innerhalb des verfestigten Pulvermaterials 102 erkennbar sind, um die Eigenschaften 114, 116 während der additiven Herstellung zu identifizieren. Der Wirbelstrom 204 wird von dem Prüfsystem 200 mit einer Anregungseinheit 242 oder einer von dem Prüfsystem 200 nicht umfassten Anregungseinheit bewirkt.
Die Prüfeinheit 202 umfasst eine erste Wirbelstromsensoreinheit 210, die angeordnet und ausgebildet ist, eine Eigenschaft 114 mit einer ersten Eigenschaftsgröße größer-gleich einem Größengrenzwert zu identifizieren, insbesondere eine Einzelfehlstelle. Darüber hinaus umfasst die Prüfeinheit 202 eine zweite Wirbelstromsensoreinheit 230, die angeordnet und ausgebildet ist, eine Ansammlung von Eigenschaften 116 mit einer zweiten Eigenschaftsgröße kleiner dem Größengrenzwert zu identifizieren, insbesondere einen porösen Fehlstellenbereich.
Das Prüfsystem 200 umfasst ferner eine mit der Prüfeinheit 202 signaltechnisch gekoppelte Steuerungsvorrichtung 240, die eingerichtet ist, basierend auf einer identifizierten Eigenschaft 114, 116, ein Korrektursignal zu erzeugen, das eine Korrekturstrategie des Fertigungssystems 100 zur Behebung der Eigenschaft 114, 116 repräsentiert.
Das Prüfsystem 200 umfasst ferner ein Topografiemesssystem 244 zur Ermittlung einer Topografie des verfestigten Pulvermaterials 104. Das Topografiemesssystem 244 ist eingerichtet, ein Topografieabbild zu erzeugen, das einen Abstand der Pulverbettoberfläche 130 zu der Prüfeinheit 202 repräsentiert, wobei die Eigenschaft 114, 116 weiter basierend auf dem Topografieabbild identifiziert wird. Die Anordnung des Topografiemesssystems 244 an dem Beschichter 112 ist optional, da dieses auch derart anordenbar ist, dass dieses die Topografie in der gesamten Bauebene erfassen kann, beispielsweise von schräg oberhalb der Bauebene.
In Figur 4 ist ein im Wesentlichen analog zur Figur 3 aufgebautes Fertigungssystem 100 gezeigt, wobei die Verfestigungseinheit als eine Bindemitteleinheit 246 zur Applikation eines Bindemittels 248 ausgebildet ist. Somit lässt sich ein mit einem Metal Binder Jetting Verfahren verfestigtes Pulvermaterial 104 mit dem im Vorherigen beschriebenen Prüfsystem 200 prüfen.
In Figur 5 ist gezeigt, dass die erste Wirbelstromsensoreinheit 210 eine Vielzahl an Magnetfeldsensoren 212 umfasst. Die Magnetfeldsensoren 212 sind paarweise mit anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen 214 verbunden. Diese Verbindung ist insbesondere in Figur 6 gezeigt, wobei diese Verbindungen mittels Verbindungsflächen 222 und Verbindungsdrähten 224 ausgebildet sind.
Die anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen 214 sind ferner mit einer FPGA 216, einem Steuerelement 218 und einem Speicherelement 220 verbunden. Die FPGA 216 kann beispielsweise zur Voranalyse und Zwischenspeicherung der von den Magnetfeldsensoren 212 erzeugten Daten und zur Vorgabe einer Prüffrequenz verwendet werden. Die FPGA wirkt als Schnittstellenkonverter zwischen den ASICs und weiteren Einheiten des Systems.
Das Steuerelement 218 ist ferner mittels einer Datenverbindung 207 mit einer Recheneinheit 206 gekoppelt.
In Figur 7 ist die zweite Wirbelstromsensoreinheit 230 im Detail gezeigt. Die zweite Wirbelstromsensoreinheit 230 ist analog zur ersten Wirbelstromsensoreinheit 210 aufgebaut. Die zweite Wirbelstromsensoreinheit 230 umfasst eine lediglich schematisch dargestellte Wirbelstromspule 232, die wiederum mit einer FPGA 234, einem Steuerelement 236 und einem Speicherelement 238 gekoppelt ist. Die zweite Wirbelstromsensoreinheit 230 weist vorzugsweise mehrere, vorzugsweise eine Vielzahl an, Wirbelstromspulen 232 auf.
In Figur 8 ist ein Verfahren zur in-situ Erkennung von Eigenschaften 114, 116 innerhalb eines mittels eines energiereichen Strahls 128 verfestigten Pulvermaterials 102 gezeigt. Das Verfahren umfasst den Schritt 300: Detektieren einer elektromagnetischen Materialeigenschaft von verfestigten Pulvermaterial 102 mittels einer Wirbelstromprüfung, sodass Leitfähigkeitsunterschiede innerhalb des verfestigten Pulvermaterials 102 erkannt werden, um Eigenschaften 114, 116 während der additiven Herstellung zu identifizieren. Mit einer ersten Wirbelstromsensoreinheit 210 wird eine Eigenschaft mit einer ersten Eigenschaftsgröße und mit einer zweiten Wirbelstromsensoreinheit 230 eine Ansammlung von Eigenschaften identifiziert. In Schritt 302 wird die Eigenschaft 114 und/oder die Ansammlung an Eigenschaften 116 auf Basis der detektierten elektromagnetischen Materialeigenschaft erkannt.
Figur 9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsvariante des im Vorherigen beschriebenen Verfahrens. In Schritt 304 wird ein Korrektursignal basierend auf der identifizierten Eigenschaft 114, 116 erzeugt, insbesondere einer Einzelfehlstelle und/oder einem porösen Fehlstellenbereich, wobei das Korrektursignal eine Korrekturstrategie eines Fertigungssystems 100 zur Behebung der Eigenschaft 114, 116 repräsentiert. In Schritt 306 wird das Fertigungssystem 100 mit dem Korrektursignal angesteuert, um die Eigenschaft 114, 116 zu beheben.
Das im Vorherigen beschriebene Prüfsystem 200 und das korrespondierende Verfahren ermöglichen eine besonders vorteilhafte Erkennung von Eigenschaften 114, 116 in einem aus Pulvermaterial 104 erzeugten Bauteil. Insbesondere können unterschiedliche Eigenschaftsgrößen sicher identifiziert werden. Ferner ermöglichen das Prüfsystem und das Verfahren eine prozessparallele Steuerung oder Regelung eines additiven Herstellungsprozesses, da die erzeugte und erforderliche Datenmenge derart gering ist, dass eine Echtzeitsteuerung möglich ist.
BEZUGSZEICHEN
Fertigungssystem
Bauteil
Pulvermaterial
Pulverbett
Baukammer
Belichtungseinheit
Bewegungseinheit
Beschichter
Eigenschaften
Eigenschaften
Beschichtervorschub
Spiegelelement
Gestell
Tisch
Verstelleinheit energiereicher Strahl
Pulverbettoberfläche
Prüfsystem wirbelstrombasierte Prüfeinheit
Wirbelstrom
Recheneinheit
Datenverbindung erste Wirbelstromsensoreinheit 212 Magnetfeldsensor
214 ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung)
216 FPGA (feldprogrammierbare Logikgatter-Anordnung)
218 Steuerelement 220 Speicherelement
222 Verbindungsflächen
224 Verbindungsdrähte
230 zweite Wirbelstromsensoreinheit
232 Wirbelstromspule 234 FPGA
236 Steuerelement
238 Speicherelement
240 Steuerungsvorrichtung
242 Anregungseinheit 244 T opografiemesssystem
246 Bindemitteleinheit
248 Bindemittel

Claims

ANSPRÜCHE
1. Prüfsystem (200) zur in-situ Erkennung von Eigenschaften (114, 116) innerhalb eines verfestigten Pulvermaterials (104), umfassend eine an einer Bewegungseinheit (110) anordenbare wirbelstrombasierte Prüfeinheit (202), die angeordnet und ausgebildet ist, eine elektromagnetische Materialeigenschaft von verfestigtem Pulvermaterial (104) mittels einer Wirbelstromprüfung zu detektieren, sodass Leitfähigkeitsunterschiede innerhalb des verfestigten Pulvermaterials (104) erkennbar sind, um Eigenschaften (114, 116) zu identifizieren, wobei die Prüfeinheit (202) eine erste Wirbelstromsensoreinheit (210) umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist, eine Eigenschaft mit einer ersten Eigenschaftsgröße größer-gleich einem Größengrenzwert zu identifizieren, und wobei die Prüfeinheit (202) eine zweite Wirbelstromsensoreinheit (230) umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist, eine Ansammlung von Eigenschaften mit einer zweiten Eigenschaftsgröße kleiner dem Größengrenzwert zu identifizieren.
2. Prüfsystem (200) nach Anspruch 1 , wobei die erste Wirbelstromsensoreinheit (210) eine erste Prüfauflösung und die zweite Wirbelstromsensoreinheit (230) eine zweite Prüfauflösung aufweist, wobei die erste Prüfauflösung höher, insbesondere um ein Vielfaches höher, ist als die zweite Prüfauflösung.
3. Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Größengrenzwert zwischen 15 pm und 100 pm, insbesondere zwischen 20 pm und 50 pm, beträgt.
4. Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Wirbelstromsensoreinheit (210) ein Magnetfeldsensor (212) ist oder diesen umfasst, und/oder die zweite Wirbelstromsensoreinheit (230) eine Wirbelstromspule (232) ist oder diese umfasst. Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Prüfeinheit (202) angeordnet und ausgebildet ist, während der Verfestigung, insbesondere einer Belichtung und/oder eines Stillstands und/oder eines Bewegens der Bewegungseinheit (110), die elektromagnetische Materialeigenschaft mittels der Wirbelstromprüfung zu detektieren. Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine mit der Prüfeinheit (202) signaltechnisch gekoppelte Steuerungsvorrichtung (240), die eingerichtet ist, basierend auf einer identifizierten Eigenschaft, insbesondere einer Einzelfehlstelle und/oder einem porösen Fehlstellenbereich, ein Anpassungssignal zu erzeugen, das eine Anpassungsstrategie des Fertigungssystems zur Anpassung der Eigenschaft repräsentiert. Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Prüfeinheit angeordnet und ausgebildet ist, eine auf Grundlage des Anpassungssignals angepasste Eigenschaft zu identifizieren, und/oder die Steuerungsvorrichtung (240) eingerichtet ist, basierend auf der identifizierten angepassten Eigenschaft ein zweites Anpassungssignal zu erzeugen, das eine zweite Anpassungsstrategie des Fertigungssystems zur weiteren Anpassung der angepassten Eigenschaft repräsentiert. Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Anregungseinheit (242) zur Bewirkung des Wirbelstroms in dem verfestigten Pulvermaterial (104), wobei im bestimmungsgemäßen Betrieb die erste Wirbelstromsensoreinheit (210) und/oder die zweite Wirbelstromsensoreinheit (230) zwischen der Anregungseinheit (242) und einer Prüfoberfläche (130) angeordnet ist bzw. sind. Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend ein Topografiemesssystem zur Ermittlung einer Topografie des verfestigten Pulvermaterials (104), das eingerichtet ist, ein Topografiesignal charakterisierend ein Topografieabbild zu erzeugen, das einen Abstand des verfestigten Pulvermaterials (104) zu der Prüfeinheit (202) repräsentiert, wobei die Eigenschaft weiter basierend auf dem Topografieabbild identifiziert wird. Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Wirbelstromsensoreinheit (210) und die zweite Wirbelstromsensoreinheit (230) versetzt zueinander angeordnet sind. Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Wirbelstromsensoreinheit (210) und/oder die zweite Wirbelstromsensoreinheit (230) derart angeordnete und ausgebildete Einzelsensoren aufweisen, dass diese um mindestens einen weiteren Einzelsensor ergänzbar sind. Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine mit der Prüfeinheit (202) signaltechnisch gekoppelte anwendungsspezifische integrierte Schaltung (214), die eingerichtet ist, von der ersten Wirbelstromprüfeinheit und/oder der zweiten Wirbelstromprüfeinheit aufgenommene Signale zu verstärken, zu digitalisieren, zu filtern und/oder zur weiteren Verarbeitung bereitzustellen. Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerungsvorrichtung (240) eingerichtet ist, eine Bauteilkante des Bauteils basierend auf Ausgangssignalen der ersten und/oder zweiten Wirbelstromsensoreinheit (210) zu identifizieren. Fertigungssystem (100) zur additiven Herstellung eines Bauteils mittels Verfestigung eines Pulvermaterials (104), umfassend eine Baukammer (107), in der das Pulvermaterial (104) anordenbar ist, eine Verfestigungseinheit (108, 146), die angeordnet und ausgebildet ist, das Pulvermaterial (104) zu verfestigen, eine über dem zu verfestigenden Pulvermaterial verfahrbar angeordnete Bewegungseinheit (110), und ein Prüfsystem (200) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-13, wobei die Prüfeinheit (202) an der Bewegungseinheit (110) angeordnet ist. Fertigungssystem (100) nach dem vorherigen Anspruch 14, wobei die Bewegungseinheit (110) eine Beschichtereinheit (112) zur Ausbildung einer Pulverbettoberfläche ist. Verfahren zur in-situ Erkennung von Eigenschaften (114, 116) innerhalb eines verfestigten Pulvermaterials (104), insbesondere mit einem Prüfsystem nach einem der vorherigen Ansprüche 1-13, umfassend die Schritte:
Detektieren einer elektromagnetischen Materialeigenschaft von verfestigtem Pulvermaterial (104) mittels einer Wirbelstromprüfung, sodass Leitfähigkeitsunterschiede innerhalb des verfestigten Pulvermaterials (104) erkannt werden, um Eigenschaften (114, 116) zu identifizieren, wobei mit einer ersten Wirbelstromsensoreinheit (210) eine Eigenschaft (114, 116) mit einer ersten Eigenschaftsgröße größergleich einem Größengrenzwert identifiziert wird, insbesondere eine Einzelfehlstelle, und wobei mit einer zweiten Wirbelstromsensoreinheit (230) eine Ansammlung von Eigenschaften mit einer zweiten Eigenschaftsgröße kleiner dem Größengrenzwert identifiziert werden, insbesondere einen porösen Fehlstellenbereich. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch 16, umfassend die Schritte:
Erzeugen eines Anpassungssignals basierend auf einer identifizierten Eigenschaft, insbesondere einer Einzelfehlstelle und/oder einem porösen Fehlstellenbereich, wobei das Anpassungssignal eine Anpassungsstrategie eines Fertigungssystems zur Anpassung der Eigenschaft repräsentiert, und
Ansteuern des Fertigungssystems mit dem Anpassungssignal, um die Eigenschaft anzupassen.
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