WO2019202107A1 - Method for determining the component strength of additively manufactured components - Google Patents

Method for determining the component strength of additively manufactured components Download PDF

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WO2019202107A1
WO2019202107A1 PCT/EP2019/060150 EP2019060150W WO2019202107A1 WO 2019202107 A1 WO2019202107 A1 WO 2019202107A1 EP 2019060150 W EP2019060150 W EP 2019060150W WO 2019202107 A1 WO2019202107 A1 WO 2019202107A1
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WO
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component
defects
strength
additively manufactured
detected
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PCT/EP2019/060150
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Axel Schulz
Martin BECKERT
Jens GROFFMANN
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TÜV Nord Systems GmbH & Co. KG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the component strength of additively manufactured components and to a method for producing an additively manufactured component with validated component strength.
  • the invention provides a method for determining the component strength of additively manufactured components, in which first the inner material structure of the component is at least partially detected with respect to existing defects, then a finite element Model (FE model) including the detected imperfections is generated at least for a portion of the component, and finally the component strength by means of the finite element model is numerically determined or calculated.
  • FE model finite element Model
  • the defects detected are areas which are free of structurally bound base material or starting material, ie areas in which no material, no material that is resistant to the strength of the component, or no sufficiently bound material is present.
  • the defects are pores or cracks.
  • the component geometry is generally known as a desired specification, since a corresponding 3D data record or a corresponding CAD file serves as a geometric specification for the additive manufacturing method.
  • the geometric specification is evaluated by the control of the additive manufacturing process, and then taken into account in the additive manufacturing accordingly.
  • the inner material structure of the component can be detected or evaluated in relation to the predetermined component geometry.
  • the detected defects are subtracted from the given component geometry. This means that the starting point is a continuously, homogeneously constructed component which is then at least partially corrected by means of the respectively detected defects, so that a more realistic representation of the construction of the component, at least in these regions or in the entire component, including the existing defects.
  • the entire component can be detected by the imaging process and a finite element model of the entire component can be generated. In this way, unwanted deviations in the external geometry or defects present there due to the production process can then also be detected.
  • the imperfections are approximated by spherical or ellipsoidal volumes. Since the defects are often pores which have a relatively accurate approximate shape over sphere volumes, the approximation via spherical volumes is a numerically efficient yet comparatively meaningful image of the imperfections. An approximation of ellipsoid volumes can increase the imaging accuracy. Furthermore, it is also possible to approximate the flaws by polygon models or splines to allow an even more accurate mapping, which can then also increase the numerical computational effort.
  • the location and size of the miscarriages are stored in a table.
  • the coordinates and defect location parameters are stored.
  • the X, Y and Z coordinates, as well as a radius (when approaching through spherical volumes), or the respective semiaxes, and possibly the normal vector of the orientation of the ellipsoidal volumes can be deposited.
  • the detected defects or pores are idealized by equivalent or equivalent volume in their volume, and their spatial arrangement and volumes are stored. These values can then be subtracted from the specified component geometry or the basic design or from a component geometry determined by the imaging method or by a further imaging method.
  • the overall geometry of the additively manufactured component is determined either from design data or by means of an imaging method, and then at least one critical area or several critical areas are determined within the overall geometry.
  • the critical area can be determined in particular by numerical simulation of the component without defects with a standard material law for the base material used. For typical load cases, the most critical areas with regard to strength, ie the areas in which high loads or a high probability of failure are present, are determined.
  • the detection of the internal material structure of the component with respect to existing defects can be carried out by the imaging process only in this at least one critical area. This increases the efficiency of the method, since with regard to the strength irrelevant areas of the component need not be subjected to the usually complex acquisition by the imaging process.
  • the loads applied at the boundary of the critical area can be determined by numerical simulation without consideration of the defects.
  • the specific loads can then be set as boundary conditions at the boundary of the critical area.
  • the critical area can be cut free from a mechanical point of view, and the calculation can only be performed in this area of the component, which increases the efficiency of the calculation method.
  • the imaging method is a transmission method, in particular a computed tomography method.
  • the detection of the inner material structure thus takes place on the finished component.
  • the layer structure of each layer can be imaged during the additive manufacturing of the component.
  • a spatial statement regarding the internal material structure can be obtained via the corresponding slice images.
  • a transmission method is preferred since this is more accurate and can also detect influences of treatment steps after additive finishing, such as, for example, from a heat treatment.
  • computed tomography it is particularly possible to detect pores with a diameter in the micrometer range, in particular pore diameters of less than 500 pm, less than 100 pm, less than 75 pm or less than 50 pm. With preferred computed tomography methods, all pores with a diameter greater than 90 pm, 75 pm or 50 pm can be detected.
  • the pores actually present in the component had a diameter of less than 500 .mu.m in an exemplary, additively manufactured component, with the largest pores in particular having a diameter of approximately 380 .mu.m.
  • the average pore diameter was about 100 pm.
  • information on the detected internal imperfections and the external component geometry is stored in records in relation to the component strength, and a pattern evaluation is performed on a plurality of data sets to make a prediction of component strength for similar defects and local component geometries. Consequently, if it is found that the inner material structure, the load case and the outer geometry are similar to a numerically calculated critical area at least in a critical area of a component, a first estimate or validated determination of the component strength can be obtained by transmitting the present results This makes it possible to reduce the computational effort since the numerical determination of the component strength by means of the finite element model can possibly be omitted for the critical region.
  • a data base is created for a system that learns with each supplied data set and can provide accurate predictions for components to be computed.
  • a self-learning system or an artificial intelligence is made available.
  • the standard material law of the starting material used for additive manufacturing is advantageously used.
  • a complex determination of a special material law for the printed material can be omitted.
  • the standard material laws are known for many different non-additive manufactured materials and materials, and can be found in material data sheets and standards, and were determined in particular by means of forged or cast samples.
  • these material laws do not take into account the peculiarities of additively manufactured materials.
  • These can exhibit anisotropic properties due to the layered structure and are also weakened by defects.
  • the anisotropic properties can bring about an improvement in the material properties and thus need not be taken into account.
  • the material data of ad- ditive-made materials without consideration of the imperfections are thus often above the values of corresponding forged or rolled materials, in particular for forged steel and rolled steel. Thus neglecting the anisotropic properties is conservative.
  • the imperfections that is to say in particular the porosity of the material, must be taken into account, which is achieved in the prior art by the determination of attenuation values. Since the imperfections, in particular the pore structure, according to the invention can be fully taken into account in the numerical determination of the component strength, the known standard material law of the numerical calculation can be based unchanged.
  • the standard material law includes, in particular, modulus, yield strength and / or tensile strength data.
  • the invention further provides a method for producing an additively manufactured component with validated component strength, in which initially a component is produced additively from a base material, and then a possible variant of one of the methods described above is carried out.
  • all manufacturing processes which enable component generation by means of layered construction of the component volume are suitable as additive manufacturing or production processes.
  • the additive production takes place by local melting of a powdered base material or powdery starting material, in particular a metal powder, by means of directed energy, for example electron or laser radiation.
  • the component is then produced in layers in situ from the powdery starting material on the basis of the defined production parameters for each layer, for example the extent of the respective component layer in the X and Y directions, the local introduced energy, in particular laser power, the exposure or exposure Irradiation sequences of the respective component layers, the production rate, the protective gas flow rate, the installation space temperature and / or other production parameters.
  • an energy input device is moved and / or pivoted relative to a powdery starting material or base material by means of a handling device.
  • a handling device primarily an XYZ manipulator can be used, in particular an industrial robot with a pivotable robot arm or a gantry robot.
  • hardfacing devices, lasers or electron beam devices are suitable as energy introduction device.
  • the energy input can be carried out under inert gas, primarily for laser and build-up welding, or in a vacuum, primarily for electron beam devices.
  • selective laser melting in a protective gas-loaded building chamber, electron beam melting in a vacuum construction chamber, and robot-based laser deposition welding as a 3D printing free-form process for large workpieces should be emphasized.
  • the metallic base material may be wire-shaped.
  • the component is made of a weldable metal, in particular of a noble metal, a light metal alloy or steel, including austenite, ferrites, tool steel and stainless steel.
  • a weldable metal in particular of a noble metal, a light metal alloy or steel, including austenite, ferrites, tool steel and stainless steel.
  • all weldable ferrous or non-ferrous metals and their technically applicable alloys are suitable for the additive production of a component, such as the aforementioned materials and other special or superalloys, including cobalt-chromium, titanium and its alloys.
  • iron or light metal based cast and die cast materials can be used.
  • gold can be used as the noble metal.
  • the abovementioned materials are preferably all provided as pulverulent base material or starting material.
  • Additive manufacturing can also be achieved by selective bonding of a powdery or granular material and subsequent sintering.
  • components can be produced from technically applicable ceramics and metallic sintered materials. These are first produced in the context of a layer-wise additive manufacturing process using a binder as a green product. For example, a metal paste can be deposited in layers with a binder in a 3D printer. The green compact is then heat treated in a subsequent step to remove the binder by evaporation and sinter the green compact into a component. The sintering process can lead to significant shrinkage of the workpiece, and often to an unpredictable internal material structure. Therefore, the method according to the invention is suitable for sintered components.
  • the additive manufactured component is heat treated before the method for determining the component strength is performed.
  • the heat treatment in particular pores and defects in the edge region of the component can be reduced. Pores and imperfections in the edge region are often particularly disadvantageous from a mechanical point of view for the strength of the component.
  • the microstructure and inner material structure can be improved by the heat treatment also within the component. At a heat- It is often even more difficult to make statements about the internal structure and existing defects. Therefore, the method according to the invention is also suitable for heat-treated components.
  • Additive-fabricated components which should have a validated component strength, and therefore can be advantageously subjected to the method according to the invention, are found in particular in the field of prototype construction, medical technology, plant construction, and special machine construction.
  • the components can be prototypes or single-piece prostheses and implants whose individual shape requires validation of mechanical strength. These may be, for example, hip prostheses, knee prostheses, etc.
  • spare parts or custom-made components can be validated by the method according to the invention, such as, for example, pressure vessels, pumps, screws, cylinder heads or injection devices for gas and aircraft turbines and the like.
  • the method according to the invention can provide a direct calculation of the component strength on the basis of the unchanged material laws of the base material. This eliminates the expensive and often insufficiently meaningful provisions of state-of-the-art attenuation coefficients.
  • the method according to the invention permits the realistic assessment of defects, in particular of pores based on real component geometry and material characteristics, the real component geometry normally being already known by the CAD model, and the defects being determined by suitable imaging methods. This achieves the advantage that no general reduction in component strength has to be assumed, but that an accurate statement about the component strength of a specific component is possible.
  • Figure 1 shows a schematic view of an apparatus for performing a
  • FIG. 2 shows a view of an additively manufactured component which is subjected to an embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 3 shows an enlarged detail of a critical region from FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a finite element model of a section of the critical region from FIG. 3 in a further enlargement
  • FIG. 5 shows a further component manufactured in an additive fashion, which can be subjected to an embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 1 shows an additive manufacturing device 1 which is in data exchange with a controller 2, in particular a computer. Furthermore, an imaging device 3 is shown, in particular a computer tomograph.
  • layers of a pulverulent base material 4 are applied sequentially, and locally heated with an energy input device 5, for example a welding device or laser beam device, and thus joined together to form an additively manufactured component 6.
  • the additively manufactured component 6 is then removed from the additive manufacturing device 1 and analyzed in the imaging device 3, so that information about the internal material structure and the defects present therein are obtained.
  • a heat treatment of the additive component 6 can be provided before it is supplied to the imaging device 3.
  • the component 6 is fed to the imaging device 3 in its final fabricated form.
  • the method can also be carried out after an intermediate step, for example for the purpose of quality assurance after the additive manufacturing and before a heat treatment is carried out. Then components with insufficient strength can be sorted out before heat treatment.
  • a finite element model can then be generated, and a numerical determination of the component strength on the basis of the material characteristic values of the base material taking into account the defects detected therein.
  • the calculation is carried out by a computer, which may comprise the controller 2, or by a separate computer, for example in a spatially separate high-performance computer center.
  • FIG. 2 the component 6 manufactured in an additive fashion in FIG. 1 is shown in greater detail.
  • This component 6 is a hip joint prosthesis that has been individually designed on the basis of patient data and has been manufactured as an additive.
  • the hip replacement prosthesis is subjected to a numerical calculation, for example a finite element calculation, whereby critical areas are found in which particularly high loads or failure probabilities are present.
  • Such a critical area 7 is marked in FIG. 2 and shown enlarged in FIG.
  • a finite element model consisting of a plurality of finite volume elements 9 is created.
  • the finite volume elements 9 are shown in Figure 4 partially by a sectional view.
  • the geometry of pores is approximated by the finite elements.
  • the model in Figure 4 is merely a sectional view of a three-dimensional finite element model.
  • the meshing of the FE model is three-dimensional.
  • a numerical determination of the component strength can then be carried out by calculating, in particular, the load and the probability of failure in this area of the component.
  • FIG. 5 shows a further component in the form of a pump rotor 10 which has been manufactured additively on the basis of individual data.
  • defects 8 in the form of pores are present, which in the context of the additive manufacturing process occur. stood are.
  • the pump rotor 10 is then subjected to an imaging radiographic process as a whole, so that its geometry and the internal material structure, including the pores, are detected.
  • the detected geometry model is then used to create a finite element model by cross-linking, and a numerical determination of the component strength is performed.
  • any additively manufactured components take a vali d jewe strength determination.

Abstract

The invention relates to a method for determining the component strength of additively manufactured components (6, 10) for which, at least in sections, the inner material structure of the component is detected in terms of present defects (8) via an imaging method, and a finite element model (9) including the detected defects (8) is generated at least for a region of the component (6, 10), wherein the component strength is thereby numerically determined. The invention also relates to a method for producing an additively manufactured component (6, 10) with a validated component strength.

Description

Verfahren zur Bestimmung der Bauteilfestigkeit von additiv gefertigten Bauteilen  Method for determining the component strength of additively manufactured components
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Bauteilfestig- keit von additiv gefertigten Bauteilen und ein Verfahren zur Herstellung eines additiv gefertig- ten Bauteils mit validierter Bauteilfestigkeit. The present invention relates to a method for determining the component strength of additively manufactured components and to a method for producing an additively manufactured component with validated component strength.
Die Relevanz des technischen Einsatzes von additiv gefertigten Bauteilen, insbesondere 3D- gedruckten Bauteilen nimmt zu, da durch verbesserte Verfahren Bauteile mit immer höherer Festigkeit erzeugt werden können. Allerdings besteht bei additiv gefertigten Bauteilen oft eine Unsicherheit bezüglich der real vorliegenden Festigkeit, denn die Materialkennwerte des für das additive Verfahren eingesetzten Grundwerkstoffs lassen nicht ohne weiteres für die Festigkeitsberechnung eines additiv gefertigten Bauteils verwenden, da während der additi- ven Fertigung strukturelle Besonderheiten erzeugt werden, die Einfluss auf die real vorlie- gende Bauteilfestigkeit haben. The relevance of the technical use of additively manufactured components, in particular 3D printed components, is increasing, since components with ever higher strength can be produced by improved methods. However, there is often an uncertainty in the case of additively manufactured components with regard to the actual physical strength, since the material characteristics of the base material used for the additive process can not readily be used for the strength calculation of an additively manufactured component, since structural peculiarities are produced during the additive production, which influence the actual component strength.
Es ist aus der Veröffentlichung Siddique et al.,„Computed tomography for characterization of fatigue performance of selective laser melted parts“ , Materials & Design 83 (2015) 661-669, bekannt, Korrekturfaktoren für Werkstoffkennwerte zu berechnen, mit denen eine Material- schwächung durch Poren in einem additiv gefertigten Bauteil berücksichtigt werden kann. Dafür wird die Porenverteilung in einer durch selektives Laserschmelzen hergestellte Materi- alprobe bestimmt und eine FEM-Berechnung bezüglich der Auswirkungen der Poren durch- geführt. Daraus kann ein Korrekturfaktor bestimmt werden, der bei der Analyse der Festigkeit von konkreten Bauteilen berücksichtigt wird. Allerdings ist die mittels der Korrekturfaktoren berechnete Bauteilfestigkeit in der Praxis meist nicht ausreichend genau, sodass hohe Si- cherheitsfaktoren eingerechnet werden müssen, was zu einer Überdimensionierung der ad- ditiv gefertigten Bauteile führt. It is known from the publication Siddique et al., "Computed tomography for characterization of fatigue performance of selective laser melted parts", Materials & Design 83 (2015) 661-669, to calculate correction factors for material parameters, with which a material weakening can be considered by pores in an additive manufactured component. For this purpose, the pore distribution in a material sample produced by selective laser melting is determined and an FEM calculation is carried out with regard to the effects of the pores. From this, a correction factor can be determined, which is taken into account in the analysis of the strength of concrete components. However, the component strength calculated using the correction factors is usually not sufficiently accurate in practice, so that high safety factors have to be taken into account, which leads to overdimensioning of the additively manufactured components.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte und sicherere Bestimmung der Bauteilfestigkeit von additiv gefertigten Bauteilen bereitzustellen und somit die Herstel- lung von additiv gefertigten Bauteilen mit validierter Bauteilfestigkeit zu ermöglichen. It is the object of the present invention to provide an improved and safer determination of the component strength of additively manufactured components and thus to enable the production of additively manufactured components with validated component strength.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Bestimmung der Bauteilfestigkeit von additiv gefertig- ten Bauteilen bereit, bei dem zunächst zumindest bereichsweise die innere Materialstruktur des Bauteils bezüglich vorhandener Fehlstellen erfasst wird, dann ein Finite-Elemente- Modell (FE-Modell) einschließlich der erfassten Fehlstellen zumindest für einen Bereich des Bauteils erzeugt wird, und schließlich die Bauteilfestigkeit mittels des Finite-Elemente- Modells numerisch bestimmt bzw. berechnet wird. The invention provides a method for determining the component strength of additively manufactured components, in which first the inner material structure of the component is at least partially detected with respect to existing defects, then a finite element Model (FE model) including the detected imperfections is generated at least for a portion of the component, and finally the component strength by means of the finite element model is numerically determined or calculated.
Eine wichtige Erkenntnis im Rahmen der Erfindung ist es, dass bei additiv gefertigten Bautei- len die Materialstruktur und darin vorhandene Fehlstellen nicht nur von der Art des Herstel- lungsverfahrens abhängen, sondern auch von dessen Randbedingungen und insbesondere der Geometrie des additiv gefertigten Bauteils. Es kann also nicht von einer homogenen Fehlstellenverteilung ausgegangen werden. Die Fehlstellenverteilung ist vielmehr oft nicht vorhersagbar. Die Fehlstellenverteilung hat relevante Auswirkungen auf die tatsächliche Bauteilfestigkeit. Mit der Erfindung kann zumindest in den Bereichen, in denen eine kritische Verteilung von Fehlstellen erwartet wird oder für das gesamte Bauteil eine Erfassung der tatsächlich vorliegenden Fehlstellen erfolgen, und insbesondere bei der Erzeugung des FE- Modells mit abgebildet werden. Dadurch kann eine numerische Bestimmung der Bauteilfes- tigkeit erfolgen, wobei dafür die Standard-Materialgesetze des für das additive Fertigungs- Verfahren eingesetzten Grundwerkstoffs bzw. Ausgangsmaterials verwendet werden können. Im Stand der Technik werden hingegen spezialisierte Materialgesetze berechnet oder be- stimmt, die insbesondere über Korrekturfaktoren oder Verschwächungsbeiwerte die Einflüs- se des additiven Fertigungsverfahrens berücksichtigen. Dies bedeutet aber, dass je nach Randbedingungen des Fertigungsverfahrens neue Materialgesetze bestimmt werden müs- sen, was jedes Mal zu hohen Kosten führt. Zudem können die Materialgesetze nicht vorher- sagen, wie die konkrete Geometrie eines additiv gefertigten Bauteils sich auf dessen innere Materialstruktur auswirkt. An important finding in the context of the invention is that in the case of additively manufactured components, the material structure and flaws present therein depend not only on the type of production process, but also on its boundary conditions and in particular on the geometry of the additive-fabricated component. It can not be assumed that a homogeneous defect distribution. Rather, the defect distribution is often unpredictable. The defect distribution has relevant effects on the actual component strength. With the invention, at least in the areas in which a critical distribution of defects is expected or for the entire component, a detection of the actual defects present, and in particular in the generation of FE model to be mapped. As a result, a numerical determination of the component's strength can take place, for which purpose the standard material laws of the base material or starting material used for the additive manufacturing process can be used. By contrast, in the prior art, specialized material laws are calculated or determined which take into account the influences of the additive manufacturing process, in particular via correction factors or attenuation coefficients. However, this means that, depending on the boundary conditions of the production process, new material laws have to be determined, which leads to high costs each time. In addition, the material laws can not predict how the concrete geometry of an additively manufactured component affects its internal material structure.
Insbesondere handelt es sich bei den erfassten Fehlstellen um Bereiche, die frei von struktu- rell eingebundenen Grundwerkstoff bzw. Ausgangsmaterial sind, also Bereiche in denen kein Material, kein der Festigkeit des Bauteils zuträgliches Material, oder kein ausreichend einge- bundenes Material vorliegt. Insbesondere handelt es sich bei den Fehlstellen um Poren oder Risse. In particular, the defects detected are areas which are free of structurally bound base material or starting material, ie areas in which no material, no material that is resistant to the strength of the component, or no sufficiently bound material is present. In particular, the defects are pores or cracks.
Bei additiv gefertigten Bauteilen ist die Bauteilgeometrie gemeinhin als gewünschte Vorgabe bekannt, da ein entsprechender 3D-Datensatz oder eine entsprechende CAD-Datei dem additiven Fertigungsverfahren als geometrische Vorgabe dient. Die geometrische Vorgabe wird von der Steuerung des additiven Fertigungsverfahrens ausgewertet, und dann bei der additiven Fertigung entsprechend berücksichtigt. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die innere Materialstruktur des Bauteils in Rela- tion zu der vorgegebenen Bauteilgeometrie erfasst beziehungsweise ausgewertet werden. Insbesondere werden die erfassten Fehlstellen von der vorgegebenen Bauteilgeometrie ab- gezogen. Das heißt, es wird von einem kontinuierlich, homogen aufgebauten Bauteil ausge- gangen, das dann mittels der jeweilig erfassten Fehlstellen zumindest bereichsweise korri- giert wird, so dass zumindest in diesen Bereichen oder im gesamten Bauteil eine realititäts- nähere Abbildung des Aufbaus des Bauteils, inklusive der vorhandenen Fehlstellen, bereit- gestellt wird. In the case of additively manufactured components, the component geometry is generally known as a desired specification, since a corresponding 3D data record or a corresponding CAD file serves as a geometric specification for the additive manufacturing method. The geometric specification is evaluated by the control of the additive manufacturing process, and then taken into account in the additive manufacturing accordingly. In a preferred embodiment, the inner material structure of the component can be detected or evaluated in relation to the predetermined component geometry. In particular, the detected defects are subtracted from the given component geometry. This means that the starting point is a continuously, homogeneously constructed component which is then at least partially corrected by means of the respectively detected defects, so that a more realistic representation of the construction of the component, at least in these regions or in the entire component, including the existing defects.
Insbesondere kann das gesamte Bauteil durch das bildgebende Verfahren erfasst werden und ein Finite-Elemente-Modell des gesamten Bauteils erzeugt werden. Damit können dann auch durch das Herstellungsverfahren bedingte, ungewollte Abweichungen in der Außenge- ometrie oder dort vorliegende Fehlstellen erfasst werden. In particular, the entire component can be detected by the imaging process and a finite element model of the entire component can be generated. In this way, unwanted deviations in the external geometry or defects present there due to the production process can then also be detected.
In einer Ausführungsform werden die Fehlstellen durch Kugel- oder Ellipsoidvolumina ange- nähert. Nachdem es sich bei den Fehlstellen oft um Poren handelt, die eine über Kugelvolu- mina relativ genaue annäherbare Form aufweisen, handelt es sich bei der Annäherung über Kugelvolumina um eine numerisch effiziente und dennoch vergleichsweise aussagekräftige Abbildung der Fehlstellen. Eine Annäherung über Ellipsoidvolumina kann die Abbildungs- genauigkeit erhöhen. Weiterhin ist es auch möglich, die Fehlstellen durch Polygonmodelle oder Splines anzunähern, um eine noch genauere Abbildung zu ermöglichen, was dann aber auch den numerischen Berechnungsaufwand erhöhen kann. In one embodiment, the imperfections are approximated by spherical or ellipsoidal volumes. Since the defects are often pores which have a relatively accurate approximate shape over sphere volumes, the approximation via spherical volumes is a numerically efficient yet comparatively meaningful image of the imperfections. An approximation of ellipsoid volumes can increase the imaging accuracy. Furthermore, it is also possible to approximate the flaws by polygon models or splines to allow an even more accurate mapping, which can then also increase the numerical computational effort.
In einer möglichen Implementierung des Verfahrens, werden die Lage und Größe der Fehl- steilen in einer Tabelle hinterlegt. In der Tabelle werden insbesondere für jede Fehlstelle die Koordinaten, sowie Fehlstellenparameter hinterlegt. So können für jede Fehlstelle die X-, Y- und Z-Koordinaten, sowie ein Radius (bei Annäherung durch Kugelvolumina), oder die jewei- ligen Halbachsen, sowie gegebenenfalls der Normalenvektor der Orientierung der Ellipsoid- volumina, hinterlegt werden. In one possible implementation of the method, the location and size of the miscarriages are stored in a table. In the table, in particular for each defect, the coordinates and defect location parameters are stored. Thus, for each defect, the X, Y and Z coordinates, as well as a radius (when approaching through spherical volumes), or the respective semiaxes, and possibly the normal vector of the orientation of the ellipsoidal volumes, can be deposited.
Vorteilhafterweise werden also die detektierten Fehlstellen beziehungsweise Poren durch in ihrem Volumen angenäherte oder gleichvolumige Ersatzkörper idealisiert, und deren räumli- che Anordnung und Volumina abgespeichert. Diese Werte können dann von der vorgegebe- nen Bauteilgeometrie, beziehungsweise dem Basisdesign oder von einer durch das bildge bende Verfahren oder durch ein weiteres bildgebendes Verfahren bestimmten Bauteilgeo- metrie abgezogen werden. Vorteilhafterweise wird die Gesamtgeometrie des additiv gefertigten Bauteils entweder aus Konstruktionsdaten oder mittels eines bildgebenden Verfahrens bestimmt, und dann inner- halb der Gesamtgeometrie zumindest ein kritischer Bereich oder mehrere kritische Bereiche bestimmt. Die Bestimmung des kritischen Bereichs kann insbesondere durch numerische Simulation des Bauteils ohne Fehlstellen mit einem Standard-Werkstoffgesetz für den ver- wendeten Grundwerkstoff erfolgen. Dabei werden für typische Lastfälle die kritischsten Be- reiche bezüglich Festigkeit, also die Bereiche in denen hohe Belastungen oder eine hohe Versagenswahrscheinlichkeit vorliegen, bestimmt. Advantageously, therefore, the detected defects or pores are idealized by equivalent or equivalent volume in their volume, and their spatial arrangement and volumes are stored. These values can then be subtracted from the specified component geometry or the basic design or from a component geometry determined by the imaging method or by a further imaging method. Advantageously, the overall geometry of the additively manufactured component is determined either from design data or by means of an imaging method, and then at least one critical area or several critical areas are determined within the overall geometry. The critical area can be determined in particular by numerical simulation of the component without defects with a standard material law for the base material used. For typical load cases, the most critical areas with regard to strength, ie the areas in which high loads or a high probability of failure are present, are determined.
Vorteilhafterweise kann die Erfassung der inneren Materialstruktur des Bauteils bezüglich vorhandener Fehlstellen durch das bildgebende Verfahren nur in diesem zumindest einen kritischen Bereich erfolgen. Dies erhöht die Effizienz des Verfahrens, da bezüglich der Fes- tigkeit irrelevante Bereiche des Bauteils nicht der zumeist aufwändigen Erfassung durch das bildgebende Verfahren unterzogen werden müssen. Advantageously, the detection of the internal material structure of the component with respect to existing defects can be carried out by the imaging process only in this at least one critical area. This increases the efficiency of the method, since with regard to the strength irrelevant areas of the component need not be subjected to the usually complex acquisition by the imaging process.
Insbesondere können nur in dem zumindest einen kritischen Bereich die Fehlstellen in dem Finite-Elemente-Modell abgebildet werden. Somit ist lediglich in diesem Bereich eine gerin- gere Vernetzungsweite des FE-Modells notwendig, wodurch der Rechenaufwand lediglich in dem kritischen Bereich erhöht wird. In particular, only in the at least one critical region can the defects be imaged in the finite element model. Thus, only in this area is a smaller network width of the FE model necessary, whereby the computational effort is increased only in the critical area.
Weiterhin können die an der Grenze des kritischen Bereichs anliegenden Lasten durch nu- merische Simulation ohne Berücksichtigung der Fehlstellen bestimmt werden. In der numeri- schen Bestimmung der Bauteilfestigkeit mittels des Finite-Elemente-Modells mit den erfass- ten Fehlstellen können die bestimmten Lasten dann an der Grenze des kritischen Bereichs als Randbedingungen gesetzt werden. Somit kann der kritische Bereich aus mechanischer Sicht freigeschnitten werden, und die Berechnung nur in diesem Bereich des Bauteils durch- geführt werden, was die Effizienz des Berechnungsverfahrens erhöht. Furthermore, the loads applied at the boundary of the critical area can be determined by numerical simulation without consideration of the defects. In the numerical determination of the component strength by means of the finite element model with the detected defects, the specific loads can then be set as boundary conditions at the boundary of the critical area. Thus, the critical area can be cut free from a mechanical point of view, and the calculation can only be performed in this area of the component, which increases the efficiency of the calculation method.
Vorteilhafterweise ist das bildgebende Verfahren ein Durchstrahlverfahren, insbesondere ein Computertomographieverfahren. Die Erfassung der inneren Materialstruktur findet somit am fertiggestellten Bauteil statt. Es ist aber auch möglich, dass der Schichtaufbau einer jeden Schicht während des additiven Fertigens des Bauteils bildlich erfasst wird. Über die entspre- chenden Schichtbilder kann eine räumliche Aussage bezüglich der inneren Materialstruktur erhalten werden. Bevorzugt ist aber ein Durchstrahlverfahren, da dieses genauer ist und auch Einflüsse von Behandlungsschritten nach dem additiven Fertigen erfassen kann, wie beispielsweise von einer Wärmebehandlung. Mit Computertomographieverfahren ist es ins- besondere möglich, Poren mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich zu erfassen, ins- besondere Porendurchmesser von weniger als 500 pm, weniger als 100 pm, weniger als 75 pm oder weniger als 50 pm. Mit bevorzugten Computertomographieverfahren können sämtli- che Poren mit einem Durchmesser größer als 90 pm, 75 pm oder 50 pm erfasst werden. Advantageously, the imaging method is a transmission method, in particular a computed tomography method. The detection of the inner material structure thus takes place on the finished component. However, it is also possible for the layer structure of each layer to be imaged during the additive manufacturing of the component. A spatial statement regarding the internal material structure can be obtained via the corresponding slice images. However, a transmission method is preferred since this is more accurate and can also detect influences of treatment steps after additive finishing, such as, for example, from a heat treatment. With computed tomography it is particularly possible to detect pores with a diameter in the micrometer range, in particular pore diameters of less than 500 pm, less than 100 pm, less than 75 pm or less than 50 pm. With preferred computed tomography methods, all pores with a diameter greater than 90 pm, 75 pm or 50 pm can be detected.
Die tatsächlich im Bauteil vorliegenden Poren hatten in einem beispielhaften, additiv gefertig- ten Bauteil einen Durchmesser von weniger als 500 pm, wobei die größten Poren insbeson- dere einen Durchmesser von ca. 380 pm hatten. Der durchschnittliche Porendurchmesser lag bei ca. 100 pm. The pores actually present in the component had a diameter of less than 500 .mu.m in an exemplary, additively manufactured component, with the largest pores in particular having a diameter of approximately 380 .mu.m. The average pore diameter was about 100 pm.
Vorteilhafterweise wird Information zu den ermittelten inneren Fehlstellen und der äußeren Bauteilgeometrie in Relation zu der Bauteilfestigkeit in Datensätzen gespeichert, und eine Musterauswertung bezüglich einer Vielzahl von Datensätzen durchgeführt, um eine Vorher- sage der Bauteilfestigkeit für ähnliche Fehlstellen und lokale Bauteilgeometrien zu treffen. Wenn folglich festgestellt wird, dass die innere Materialstruktur, der Lastfall und die äußere Geometrie zumindest in einem kritischen Bereich eines Bauteils ähnlich sind zu einem be- reits numerisch berechneten kritischen Bereich, so kann durch Übertragung der vorliegenden Ergebnisse eine erste Einschätzung oder validierte Bestimmung der Bauteilfestigkeit erfol- gen. Dies ermöglicht, den Rechenaufwand zu reduzieren, da die numerische Bestimmung der Bauteilfestigkeit mittels des Finite-Elemente-Modells gegebenenfalls für den kritischen Bereich entfallen kann. Es wird somit eine Datenbasis für ein System geschaffen, das mit jedem zugeführten Datensatz lernt, und mit zutreffender Genauigkeit Vorhersagen für zu berechnende Bauteile bereitstellen kann. Es wird somit ein selbstlernendes System bezie- hungsweise eine künstliche Intelligenz zur Verfügung gestellt. Advantageously, information on the detected internal imperfections and the external component geometry is stored in records in relation to the component strength, and a pattern evaluation is performed on a plurality of data sets to make a prediction of component strength for similar defects and local component geometries. Consequently, if it is found that the inner material structure, the load case and the outer geometry are similar to a numerically calculated critical area at least in a critical area of a component, a first estimate or validated determination of the component strength can be obtained by transmitting the present results This makes it possible to reduce the computational effort since the numerical determination of the component strength by means of the finite element model can possibly be omitted for the critical region. Thus, a data base is created for a system that learns with each supplied data set and can provide accurate predictions for components to be computed. Thus, a self-learning system or an artificial intelligence is made available.
Für die numerische Bestimmung der Bauteilfestigkeit wird vorteilhafterweise das Standard- Materialgesetz des für die additive Fertigung verwendeten Ausgangsmaterials verwendet. Damit kann eine aufwendige Bestimmung eines Sonder-Materialgesetzes für den gedruckten Werkstoff entfallen. Die Standard-Materialgesetze sind für viele verschiedene nicht additive gefertigte Werkstoffe und Materialien bekannt, und in Werkstoffdatenblättern und -normen einsehbar, und wurden insbesondere mittels geschmiedeten oder gegossenen Proben be- stimmt. Allerdings berücksichtigen diese Materialgesetze nicht die Besonderheiten von addi- tiv gefertigten Werkstoffen. Diese können durch den schichtweisen Aufbau anisotrope Ei- genschaften aufweisen und werden zudem durch Fehlstellen geschwächt. Überraschender- weise können die anisotropen Eigenschaften eine Verbesserung der Materialeigenschaften mit sich bringen und müssen somit nicht berücksichtigt werden. Die Werkstoffdaten von ad- ditiv gefertigten Werkstoffen ohne Berücksichtigung der Fehlstellen liegen also oft über den Werten entsprechender geschmiedeter oder gewalzter Werkstoffe, insbesondere bei Schmiedestahl und Walzstahl. Damit ist eine Vernachlässigung der anisotropen Eigenschaf- ten konservativ. For the numerical determination of the component strength, the standard material law of the starting material used for additive manufacturing is advantageously used. Thus, a complex determination of a special material law for the printed material can be omitted. The standard material laws are known for many different non-additive manufactured materials and materials, and can be found in material data sheets and standards, and were determined in particular by means of forged or cast samples. However, these material laws do not take into account the peculiarities of additively manufactured materials. These can exhibit anisotropic properties due to the layered structure and are also weakened by defects. Surprisingly, the anisotropic properties can bring about an improvement in the material properties and thus need not be taken into account. The material data of ad- ditive-made materials without consideration of the imperfections are thus often above the values of corresponding forged or rolled materials, in particular for forged steel and rolled steel. Thus neglecting the anisotropic properties is conservative.
Allerdings müssen die Fehlstellen, also insbesondere die Porosität des Werkstoffs, berück- sichtigt werden, was im Stand der Technik durch die Bestimmung von Verschwächungsbei- werten gelöst wird. Da die Fehlstellen, insbesondere die Porenstruktur, erfindungsgemäß bei der numerischen Bestimmung der Bauteilfestigkeit vollständig berücksichtigt werden kann, kann das bekannte Standard-Materialgesetz der numerischen Berechnung unverändert zu Grunde liegen. Das Standard-Materialgesetz umfasst insbesondere Daten zum E-Modul, zur Streckgrenze und/oder zur Zugfestigkeit. However, the imperfections, that is to say in particular the porosity of the material, must be taken into account, which is achieved in the prior art by the determination of attenuation values. Since the imperfections, in particular the pore structure, according to the invention can be fully taken into account in the numerical determination of the component strength, the known standard material law of the numerical calculation can be based unchanged. The standard material law includes, in particular, modulus, yield strength and / or tensile strength data.
Die Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines additiv gefertigten Bauteils mit validierter Bauteilfestigkeit bereit, bei dem zunächst ein Bauteil additiv aus einem Grund- werkstoff gefertigt wird, und dann eine mögliche Variante eines der vorbeschriebenen Ver- fahren durchgeführt wird. Als additive Fertigungs- beziehungsweise Herstellungsverfahren eignen sich insbesondere alle Herstellungsverfahren, die eine Bauteilgenerierung mittels schichtweisen Aufbau des Bauteilvolumens ermöglichen. The invention further provides a method for producing an additively manufactured component with validated component strength, in which initially a component is produced additively from a base material, and then a possible variant of one of the methods described above is carried out. In particular, all manufacturing processes which enable component generation by means of layered construction of the component volume are suitable as additive manufacturing or production processes.
Vorteilhafterweise erfolgt die additive Fertigung durch lokales Aufschmelzen eines pulver- förmigen Grundwerkstoffs bzw. pulverförmigen Ausgangsmaterials, insbesondere eines Me- tallpulvers, mittels gerichteter Energie, beispielsweise Elektronen- oder Laserstrahlung. Das Bauteil entsteht dann schichtweise in situ aus dem pulverförmigen Vormaterial auf Basis der festgelegten Fertigungsparameter für jede Schicht, beispielsweise der Ausdehnung der je- weiligen Bauteilschicht in X- und Y-Richtung, der örtlichen eingebrachten Energie, insbeson- dere Laserleistung, der Belichtungs- bzw. Bestrahlungsabfolgen der jeweiligen Bauteilschich- ten, der Fertigungsgeschwindigkeit, der Schutzgasströmungsgeschwindigkeit, der Bauraum- temperatur und/oder anderer Fertigungsparameter. Advantageously, the additive production takes place by local melting of a powdered base material or powdery starting material, in particular a metal powder, by means of directed energy, for example electron or laser radiation. The component is then produced in layers in situ from the powdery starting material on the basis of the defined production parameters for each layer, for example the extent of the respective component layer in the X and Y directions, the local introduced energy, in particular laser power, the exposure or exposure Irradiation sequences of the respective component layers, the production rate, the protective gas flow rate, the installation space temperature and / or other production parameters.
Für das additive Fertigungsverfahren wird insbesondere eine Energieeintragsvorrichtung mittels einer Handhabungsvorrichtung relativ zu einem pulverförmigen Ausgangsmaterial bzw. Grundwerkstoff bewegt und/oder verschwenkt. Dafür kann vornehmlich ein X-Y-Z- Manipulator zum Einsatz kommen, insbesondere ein Industrieroboter mit verschwenkbarem Roboterarm oder ein Portalroboter. Als Energieeintragseinrichtung eignen sich insbesondere Auftragsschweißvorrichtungen, Laser oder Elektronenstrahlvorrichtungen. Der Energieein- trag kann unter Schutzgas, vornehmlich für Laser und Auftragsschweißen, oder in einem Vakuum, vornehmlich für Elektronenstrahlvorrichtungen erfolgen. Insbesondere sind selekti ves Laserschmelzen in einer schutzgasbeaufschlagten Baukammer, Elektronenstrahl- schmelzen in einer Vakuumbaukammer, und roboterbasiertes Laserauftragsschweißen als 3D-Druck-Freiformverfahren für große Werkstücke hervorzuheben. Beim Auftragsschweißen kann der metallische Grundwerkstoff drahtförmig vorliegen. For the additive manufacturing method, in particular, an energy input device is moved and / or pivoted relative to a powdery starting material or base material by means of a handling device. For this purpose, primarily an XYZ manipulator can be used, in particular an industrial robot with a pivotable robot arm or a gantry robot. In particular, hardfacing devices, lasers or electron beam devices are suitable as energy introduction device. The energy input The contract can be carried out under inert gas, primarily for laser and build-up welding, or in a vacuum, primarily for electron beam devices. In particular, selective laser melting in a protective gas-loaded building chamber, electron beam melting in a vacuum construction chamber, and robot-based laser deposition welding as a 3D printing free-form process for large workpieces should be emphasized. During build-up welding, the metallic base material may be wire-shaped.
Vorteilhafterweise wird das Bauteil aus einem schweißbaren Metall gefertigt, insbesondere aus einem Edelmetall, einer Leichtmetalllegierung oder Stahl, darunter Austenite, Ferrite, Werkzeugstahl und Edelstahl. Prinzipiell sind alle schweißbaren Eisen- oder Nichteisen- Metalle und ihre technisch anwendbaren Legierungen für die additive Fertigung eines Bau- teils geeignet, wie beispielsweise die vorgenannten Materialien und weitere Sonder- bezie- hungsweise Superlegierungen, unter anderem Kobalt-Chrom, Titan und seine Legierungen. Auch können eisen- oder leichtmetallbasierte Guss- und Druckgusswerkstoffe verwendet werden. Als Edelmetall kann insbesondere Gold verwendet werden. Die vorgenannten Mate- rialien werden bevorzugterweise alle als pulverförmiger Grundwerkstoff bzw. Vormaterial bereitgestellt. Advantageously, the component is made of a weldable metal, in particular of a noble metal, a light metal alloy or steel, including austenite, ferrites, tool steel and stainless steel. In principle, all weldable ferrous or non-ferrous metals and their technically applicable alloys are suitable for the additive production of a component, such as the aforementioned materials and other special or superalloys, including cobalt-chromium, titanium and its alloys. Also, iron or light metal based cast and die cast materials can be used. In particular, gold can be used as the noble metal. The abovementioned materials are preferably all provided as pulverulent base material or starting material.
Die additive Fertigung kann auch durch selektives Verkleben eines pulver- oder granulatför- migen Werkstoffs und anschließendes Sintern erfolgen. Dadurch können Bauteile aus tech- nisch anwendbaren Keramiken und metallischen Sinterwerkstoffen hergestellt werden. Diese werden im Rahmen eines schichtweisen additiven Fertigungsverfahrens mit Hilfe eines Bin- demittels zunächst als Grünling hergestellt. Beispielsweise kann eine Metallpaste mit einem Bindemittel in einem 3D-Drucker schichtweise abgelegt werden. Der Grünling wird dann in einem nachgelagerten Schritt wärmebehandelt, um das Bindemittel durch Verdampfen zu entfernen und den Grünling zu einem Bauteil zu sintern. Der Sinterprozess kann zu einem deutlichen Schrumpfen des Werkstückes, und oft zu einer nicht vorherstimmbaren inneren Materialstruktur führen. Deswegen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für gesinter- te Bauteile. Additive manufacturing can also be achieved by selective bonding of a powdery or granular material and subsequent sintering. As a result, components can be produced from technically applicable ceramics and metallic sintered materials. These are first produced in the context of a layer-wise additive manufacturing process using a binder as a green product. For example, a metal paste can be deposited in layers with a binder in a 3D printer. The green compact is then heat treated in a subsequent step to remove the binder by evaporation and sinter the green compact into a component. The sintering process can lead to significant shrinkage of the workpiece, and often to an unpredictable internal material structure. Therefore, the method according to the invention is suitable for sintered components.
Vorteilhafterweise wird das additiv gefertigte Bauteil wärmebehandelt, bevor das Verfahren zur Bestimmung der Bauteilfestigkeit durchgeführt wird. Bei der Wärmebehandlung können insbesondere Poren und Fehlstellen im Randbereich des Bauteils reduziert werden. Poren und Fehlstellen im Randbereich sind aus mechanischer Sicht oft besonders nachteilig für die Festigkeit des Bauteils. Weiterhin kann die Gefügestruktur und innere Materialstruktur durch die Wärmebehandlung auch innerhalb des Bauteils verbessert werden. Bei einem wärmebe- handelten Bauteil ist es oft noch schwieriger, Aussagen über die innere Struktur und vorhan- dene Fehlstellen zu machen. Deswegen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch für wärmebehandelte Bauteile. Advantageously, the additive manufactured component is heat treated before the method for determining the component strength is performed. In the heat treatment, in particular pores and defects in the edge region of the component can be reduced. Pores and imperfections in the edge region are often particularly disadvantageous from a mechanical point of view for the strength of the component. Furthermore, the microstructure and inner material structure can be improved by the heat treatment also within the component. At a heat- It is often even more difficult to make statements about the internal structure and existing defects. Therefore, the method according to the invention is also suitable for heat-treated components.
Das Verfahren ist insbesondere für alle metallisch gefertigten Bauteile geeignet, die unter Belastungsbedingungen eingesetzt werden, aber nicht darauf beschränkt. Additiv gefertigte Bauteile, die eine validierte Bauteilfestigkeit aufweisen sollten, und deswegen dem erfin- dungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise unterzogen werden können, finden sich insbe- sondere im Bereich des Prototypen baus, der Medizintechnik, des Anlagenbaus, und des Sondermaschinenbaus. Beispielsweise kann es sich bei den Bauteilen um Prototypen oder um als Einzelstücke gefertigte Prothesen und Implantate handeln, deren individuelle Gestalt jeweils eine Validierung der mechanischen Festigkeit erfordert. Hier kann es sich beispiels- weise um Hüftprothesen, Knieprothesen, usw. handeln. Weiterhin können Ersatzteile oder sondergefertigte Bauteile mit dem erfindungsgemäßen Verfahren validiert werden, wie bei- spielsweise Druckbehälter, Pumpen, Schrauben, Zylinderköpfe oder Einspritzorgane für Gas- und Flugzeugturbinen und Ähnliches. The method is particularly suitable for all metal-fabricated components that are used under load conditions, but not limited thereto. Additive-fabricated components, which should have a validated component strength, and therefore can be advantageously subjected to the method according to the invention, are found in particular in the field of prototype construction, medical technology, plant construction, and special machine construction. For example, the components can be prototypes or single-piece prostheses and implants whose individual shape requires validation of mechanical strength. These may be, for example, hip prostheses, knee prostheses, etc. Furthermore, spare parts or custom-made components can be validated by the method according to the invention, such as, for example, pressure vessels, pumps, screws, cylinder heads or injection devices for gas and aircraft turbines and the like.
Insbesondere kann bei der numerischen Bestimmung der Bauteilfestigkeit mittels des Finite- Elemente-Modells eine Bestimmung der Festigkeit für einen konkreten Lastfall oder eine Dauerfestigkeitsbestimmung erfolgen. In particular, in the numerical determination of the component strength by means of the finite element model, a determination of the strength for a specific load case or a fatigue strength determination can be made.
Im Stand der Technik müssen über Versuche oder exemplarische Berechnungen Faktoren und Kennwerte ermittelt werden, um Poren und Porennester zu charakterisieren, und dann empirisch basierte Verschwächungsbeiwerte zu ermitteln. Dagegen kann das erfindungsge- mäße Verfahren eine direkte Berechnung der Bauteilfestigkeit auf Basis der unveränderten Materialgesetze des Grundwerkstoffs bereitstellen. Damit entfallen die teuren und oftmals nicht genügend aussagekräftigen Bestimmungen von Verschwächungsbeiwerten aus dem Stand der Technik. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die realitätsnahe Bewertung von Fehlstellen, insbesondere von Poren auf Basis realer Bauteilgeometrie und Material- kennwerte, wobei die reale Bauteilgeometrie normalerweise bereits durch das CAD-Modell bekannt ist, und die Fehlstellen durch geeignete bildgebende Verfahren ermittelt werden. Damit wird der Vorteil erreicht, dass keine pauschale Reduzierung der Bauteilfestigkeit an- genommen werden muss, sondern dass eine genaue Aussage über die Bauteilfestigkeit ei- nes konkreten Bauteils möglich ist. Weiterhin können auch fortgeschrittene Berechnungsver- fahren angewendet werden, die bei den Materialgesetzen mit Verschwächungsbeiwerten keine aussagekräftigen Ergebnisse liefern. Hierzu sind insbesondere Berechnungen zur nicht-linearen Grenztragfähigkeit und bruchmechanische Schadenstoleranzanalysen hervor- zuheben. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf empirische Werte zur Fehlstellen- und Porencharakterisierung verzichtet werden. In the prior art, factors and characteristics must be determined through experiments or exemplary calculations to characterize pores and pore nests, and then determine empirically based attenuation coefficients. By contrast, the method according to the invention can provide a direct calculation of the component strength on the basis of the unchanged material laws of the base material. This eliminates the expensive and often insufficiently meaningful provisions of state-of-the-art attenuation coefficients. The method according to the invention permits the realistic assessment of defects, in particular of pores based on real component geometry and material characteristics, the real component geometry normally being already known by the CAD model, and the defects being determined by suitable imaging methods. This achieves the advantage that no general reduction in component strength has to be assumed, but that an accurate statement about the component strength of a specific component is possible. Furthermore, advanced calculation methods can be used which do not provide meaningful results for material laws with attenuation coefficients. For this particular calculations are to highlight nonlinear limit load capacity and fracture mechanics damage tolerance analyzes. The method according to the invention makes it possible to dispense with empirical values for defect location and pore characterization.
In den folgenden Figuren wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand von vorteilhaften Ausführungsformen beispielhaft erläutert: In the following figures, the method according to the invention is explained by way of example with reference to advantageous embodiments:
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung einer Figure 1 shows a schematic view of an apparatus for performing a
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;  Embodiment of the method according to the invention;
Figur 2 zeigt eine Ansicht eines additiv gefertigten Bauteils, das einer Ausführungs- form des erfindungsgemäßen Verfahrens unterzogen wird; FIG. 2 shows a view of an additively manufactured component which is subjected to an embodiment of the method according to the invention;
Figur 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines kritischen Bereichs aus Figur 2; FIG. 3 shows an enlarged detail of a critical region from FIG. 2;
Figur 4 zeigt ein Finite-Elemente-Modell eines Ausschnitts des kritischen Bereichs aus Figur 3 in einer weiteren Vergrößerung; und FIG. 4 shows a finite element model of a section of the critical region from FIG. 3 in a further enlargement; and
Figur 5 zeigt ein weiteres additiv gefertigtes Bauteil, das einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unterzogen werden kann. FIG. 5 shows a further component manufactured in an additive fashion, which can be subjected to an embodiment of the method according to the invention.
In Figur 1 ist eine additive Fertigungsvorrichtung 1 dargestellt, die mit einer Steuerung 2, insbesondere eines Computers, in Datenaustausch steht. Weiterhin ist eine bildgebende Vorrichtung 3 dargestellt, insbesondere ein Computertomograph. In der additiven Ferti- gungsvorrichtung werden sequentiell Schichten eines pulverförmigen Grundwerkstoffs 4 auf- getragen, und mit einer Energieeintragsvorrichtung 5, beispielsweise einer Schweißvorrich- tung oder Laserstrahlvorrichtung, lokal erhitzt und somit zu einem additiv gefertigten Bauteil 6 zusammengefügt. Das additiv gefertigte Bauteil 6 wird dann aus der additiven Fertigungs- Vorrichtung 1 entnommen und in der bildgebenden Vorrichtung 3 analysiert, so dass Informa- tionen über die innere Materialstruktur und die darin vorhandenen Fehlstellen erhalten wer- den. Allerdings kann auch eine Wärmebehandlung des additiven Bauteils 6 vorgesehen wer- den, bevor dieses der bildgebenden Vorrichtung 3 zugeführt wird. Vornehmlich wird das Bau- teil 6 der bildgebenden Vorrichtung 3 in seiner abschließend gefertigten Form zugeführt. Al- lerdings kann das Verfahren auch nach einem Zwischenschritt durchgeführt werden, bei- spielsweise zum Zwecke der Qualitätssicherung nach dem additiven Fertigen und bevor eine Wärmebehandlung durchgeführt wird. Dann können Bauteile mit unzureichender Festigkeit bereits aussortiert werden, bevor eine Wärmebehandlung erfolgt. Auf Basis der durch die bildgebende Vorrichtung 3 ermittelten Daten und gegebenenfalls der Ausgangsdaten für die additive Fertigung kann dann ein Finite-Elemente-Modell erzeugt werden, und eine numerische Bestimmung der Bauteilfestigkeit auf Basis der Werkstoff- kennwerte des Grundwerkstoffs unter Berücksichtigung der darin erfassten Fehlstellen erfol- gen. Die Berechnung wird insbesondere von einem Computer durchgeführt, der die Steue- rung 2 umfassen kann, oder durch einen separaten Computer, beispielsweisen in einem räumlich getrennten Hochleistungsrechenzentrum. FIG. 1 shows an additive manufacturing device 1 which is in data exchange with a controller 2, in particular a computer. Furthermore, an imaging device 3 is shown, in particular a computer tomograph. In the additive production device, layers of a pulverulent base material 4 are applied sequentially, and locally heated with an energy input device 5, for example a welding device or laser beam device, and thus joined together to form an additively manufactured component 6. The additively manufactured component 6 is then removed from the additive manufacturing device 1 and analyzed in the imaging device 3, so that information about the internal material structure and the defects present therein are obtained. However, a heat treatment of the additive component 6 can be provided before it is supplied to the imaging device 3. Notably, the component 6 is fed to the imaging device 3 in its final fabricated form. However, the method can also be carried out after an intermediate step, for example for the purpose of quality assurance after the additive manufacturing and before a heat treatment is carried out. Then components with insufficient strength can be sorted out before heat treatment. On the basis of the data determined by the imaging device 3 and optionally the output data for the additive manufacturing, a finite element model can then be generated, and a numerical determination of the component strength on the basis of the material characteristic values of the base material taking into account the defects detected therein In particular, the calculation is carried out by a computer, which may comprise the controller 2, or by a separate computer, for example in a spatially separate high-performance computer center.
In Figur 2 ist das in Figur 1 additiv gefertigte Bauteil 6 in größerem Detail dargestellt. Bei diesem Bauteil 6 handelt es sich um eine Hüftgelenksprothese, die auf Basis von Patienten- daten individuell entworfen und entsprechend additiv gefertigt wurde. Die Hüftgelenksprothe- se wird einer numerischen Berechnung, beispielsweise einer Finite-Elemente-Berechnung unterworfen, wobei dabei kritische Bereiche festgestellt werden, in denen besonders hohe Lasten beziehungsweise Versagenswahrscheinlichkeiten vorliegen. Ein solcher kritischer Bereich 7 ist in Figur 2 gekennzeichnet und in Figur 3 vergrößert dargestellt. In dem kriti schen Bereich 7 liegen eine Vielzahl von Fehlstellen 8 in Form von Poren vor, die beim addi- tiven Fertigungsverfahren entstanden sind. Bei vielen additiven Fertigungsverfahren kann nicht gewährleistet werden, dass eine homogene Materialstruktur erzeugt wird. Insbesondere kann durch die Bewegung der Energieeintragsvorrichtung 5 entlang deren Bewegungsbah- nen bereichsweise eine schwächere Verbindung im pulverförmigen Grund- bzw. Ausgangs- werkstoff vorliegen, so dass dann eine Fehlstelle 8, insbesondere in Form einer Pore, ent- steht. Die Poren im kritischen Bereich können die Bauteilfestigkeit negativ beeinflussen, da sie als Quellen von Rissen oder anderweitig schwächend auf das Bauteil einwirken. In FIG. 2, the component 6 manufactured in an additive fashion in FIG. 1 is shown in greater detail. This component 6 is a hip joint prosthesis that has been individually designed on the basis of patient data and has been manufactured as an additive. The hip replacement prosthesis is subjected to a numerical calculation, for example a finite element calculation, whereby critical areas are found in which particularly high loads or failure probabilities are present. Such a critical area 7 is marked in FIG. 2 and shown enlarged in FIG. In the critical region 7 there are a multiplicity of defects 8 in the form of pores which have arisen in the additive manufacturing process. In many additive manufacturing processes can not be guaranteed that a homogeneous material structure is generated. In particular, as a result of the movement of the energy input device 5 along its movement paths, there can be a weaker connection in the pulverulent base material or starting material, so that then a defect 8, in particular in the form of a pore, is created. The pores in the critical region can adversely affect component strength because they act as sources of cracks or otherwise debilitating the component.
Deswegen wird ein Finite-Elemente-Modell, bestehend aus einer Vielzahl von finiten Volu- menelementen 9 erstellt. Die finiten Volumenelemente 9 sind in Figur 4 bereichsweise durch eine Schnittansicht dargestellt. Dabei wird die Geometrie von Poren durch die finiten Ele- mente angenähert. Bei dem Modell in Figur 4 handelt es sich lediglich um eine Schnittansicht eines dreidimensionalen Finite-Elemente-Modells. Die Vernetzung des FE-Modells ist drei- dimensional. Auf Basis des FE-Modells kann dann eine numerische Bestimmung der Bauteil- festigkeit erfolgen, indem insbesondere die Lasten- und die Versagenswahrscheinlichkeit in diesem Bereich des Bauteils berechnet wird. Therefore, a finite element model consisting of a plurality of finite volume elements 9 is created. The finite volume elements 9 are shown in Figure 4 partially by a sectional view. The geometry of pores is approximated by the finite elements. The model in Figure 4 is merely a sectional view of a three-dimensional finite element model. The meshing of the FE model is three-dimensional. On the basis of the FE model, a numerical determination of the component strength can then be carried out by calculating, in particular, the load and the probability of failure in this area of the component.
In Figur 5 ist ein weiteres Bauteil in Form eines auf Basis von individuellen Daten additiv ge- fertigten Pumpenrotors 10 dargestellt. Auch in dem Pumpenrotor sind wiederum Fehlstellen 8 in Form von Poren vorhanden, die im Rahmen des additiven Fertigungsverfahrens ent- standen sind. Der Pumpenrotor 10 wird dann insgesamt einem bildgebenden Durchstrahlver- fahren unterzogen, so dass seine Geometrie und die innere Materialstruktur, inklusive der Poren, erfasst wird. Das erfasste Geometriemodell wird dann zur Erzeugung eines Finite- Elemente-Modells durch Vernetzung verwendet, und eine numerische Bestimmung der Bau- teilfestigkeit wird durchgeführt. Somit kann für beliebige additiv gefertigte Bauteile eine vali dierte Festigkeitsbestimmung stattfinden. FIG. 5 shows a further component in the form of a pump rotor 10 which has been manufactured additively on the basis of individual data. In the pump rotor, again, defects 8 in the form of pores are present, which in the context of the additive manufacturing process occur. stood are. The pump rotor 10 is then subjected to an imaging radiographic process as a whole, so that its geometry and the internal material structure, including the pores, are detected. The detected geometry model is then used to create a finite element model by cross-linking, and a numerical determination of the component strength is performed. Thus, for any additively manufactured components take a vali dierte strength determination.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Bestimmung der Bauteilfestigkeit von additiv gefertigten Bauteilen (6, 10), umfassend die Schritte: 1. A method for determining the component strength of additively manufactured components (6, 10), comprising the steps:
i) zumindest bereichsweise Erfassung der inneren Materialstruktur des Bauteils bezüglich vorhandener Fehlstellen (8) durch ein bildgebendes Verfahren, i) at least partially detecting the internal material structure of the component with regard to existing defects (8) by means of an imaging method,
ii) Erzeugung eines Finite-Elemente-Modells (9) einschließlich der erfassten Fehlstellen (8) zumindest für einen Bereich des Bauteils (6, 10), und ii) generating a finite element model (9) including the detected defects (8) at least for a region of the component (6, 10), and
iii) Numerische Bestimmung der Bauteilfestigkeit mittels des Finite-Elemente-Modells (9). iii) Numerical determination of component strength using the finite element model (9).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei unter Schritt ii) die erfassten Fehlstellen (8) von der vorgegebenen Bauteilgeometrie abgezogen werden. 2. The method of claim 1, wherein in step ii) the detected defects (8) are deducted from the predetermined component geometry.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei unter Schritt i) das gesamte Bauteil (6, 10) er- fasst wird, und unter Schritt ii) ein Finite-Elemente-Modell (9) des gesamten Bauteils (6, 10) erzeugt wird. 3. The method of claim 1 or 2, wherein in step i) the entire component (6, 10) is detected, and under step ii) a finite element model (9) of the entire component (6, 10) generated becomes.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fehlstellen (8) durch Kugel- oder Ellipsoidvolumina angenähert werden. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the defects (8) are approximated by spherical or ellipsoidal volumes.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Lage und Größe der Fehlstellen (8) in einer Tabelle hinterlegt werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the location and size of the defects (8) are stored in a table.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit den zusätzlichen vorgeordne- ten Schritten: 6. The method according to any one of the preceding claims, with the additional pre-ordered steps:
Bestimmung der Gesamtgeometrie des Bauteils (6, 10) entweder aus Konstruktionsdaten oder mittels eines bildgebenden Verfahrens, und  Determining the overall geometry of the component (6, 10) either from design data or by means of an imaging method, and
Bestimmung zumindest eines kritischen Bereichs (7). Determination of at least one critical area (7).
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei in Schritt ii) nur in dem zumindest einen kritischen Be- reich (7) die Fehlstellen in dem Finite-Elemente-Modell abgebildet werden. 7. The method of claim 6, wherein in step ii) only in the at least one critical area (7) the defects are imaged in the finite element model.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die an der Grenze des kritischen Bereichs (7) anliegenden Lasten durch numerische Simulation ohne Berücksichtigung der Fehlstellen (8) bestimmt werden, und wobei in Schritt iii) die Lasten an der Bereichsgrenze als Randbedin- gungen gesetzt werden. 8. The method according to claim 6 or 7, wherein the loads applied to the boundary of the critical area (7) are determined by numerical simulation without considering the defects (8), and wherein in step iii) the loads at the boundary of the area are constraints be set.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das bildgebende Verfahren ein Durchstrahlverfahren, insbesondere ein Computertomographieverfahren, ist. 9. The method according to any one of the preceding claims, wherein the imaging method is a transmission method, in particular a computed tomography method.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Information zu ermittelten inneren Fehlstellen (8) und der äußeren Bauteilgeometrie in Relation zu der Bauteilfestigkeit in Datensätzen gespeichert wird, und eine Musterauswertung bezüglich einer Vielzahl von Datensätzen erfolgt, um eine Vorhersage der Bauteilfestigkeit für ähnliche Fehlstellen und lokale Bauteilgeometrien zu treffen. A method according to any one of the preceding claims, wherein information on detected internal defects (8) and external component geometry is stored in records relative to component strength, and pattern evaluation on a plurality of data sets is performed to predict component strength for similar defects and meet local component geometries.
1 1. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für die numerische Be- stimmung der Bauteilfestigkeit ein Standard-Materialgesetz des für die additive Fertigung verwendeten Ausgangsmaterials verwendet wird. 1 1. A method according to any one of the preceding claims, wherein for the numerical determination of the component strength, a standard material law of the starting material used for additive manufacturing is used.
12. Verfahren zur Herstellung eines additiv gefertigten Bauteils (6, 10) mit validierter Bauteil- festigkeit, umfassend die Schritte: 12. A method for producing an additive-fabricated component (6, 10) with validated component strength, comprising the steps:
i) Additives Fertigen eines Bauteils (6, 10), und i) Additive finishing of a component (6, 10), and
ii) Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11. ii) carrying out a method according to one of claims 1 to 11.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die additive Fertigung durch lokales Aufschmelzen eines pulverförmigen Werkstoffs (4) mittels gerichteter Energie erfolgt. 13. The method of claim 12, wherein the additive manufacturing by local melting of a powdery material (4) by means of directed energy.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Bauteil (6, 10) aus einem schweißbaren Metall gefertigt wird, insbesondere aus einem Edelmetall, einer Leichtmetalllegierung oder Stahl, darunter Austenite, Ferrite, Werkzeugstahl und Edelstahl. 14. The method of claim 12 or 13, wherein the component (6, 10) is made of a weldable metal, in particular of a precious metal, a light metal alloy or steel, including austenite, ferrites, tool steel and stainless steel.
15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die additive Fertigung durch selektives Ver- kleben eines pulver- oder granulatförmigen Werkstoffs und anschließendes Sintern erfolgt. 15. The method of claim 12 or 13, wherein the additive manufacturing by selective bonding of a powdered or granular material and subsequent sintering takes place.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das additiv gefertigte Bauteil (6, 10) wärmebehandelt wird. 16. The method according to any one of claims 12 to 15, wherein the additively manufactured component (6, 10) is heat treated.
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