WO2021175791A1 - Verfahren zur additiven fertigung eines dreidimensionalen bauteils und system zur reparatur - Google Patents

Verfahren zur additiven fertigung eines dreidimensionalen bauteils und system zur reparatur Download PDF

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repair
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Dmitry PLOSHIKHIN
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Amsis Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for the additive production of a three-dimensional component from several component layers by multiple multiple incremental addition of powder or wire-shaped component starting material and shaping consolidation of the component starting material by respectively selective melting and / or sintering by means of at least one energy source according to the preamble of claim 1. Furthermore, the present invention also relates to a system for repairing a defect in a component layer of a three-dimensional component according to the preamble of claim 10. Particularly, but not exclusively, metallic materials, such as the aluminum alloy AISMOMg, are suitable as component starting material in the present invention Titanium alloy Ti64 or nickel-based alloys. Plastics such as polyamide 11 or polyamide 12 are also suitable as component raw materials.
  • the energy for melting and / or sintering the component starting material is generated, for example, by one or more lasers in selective laser melting (Laser beam Melting, LBM) or one or more electron beams in electron beam melting (EBM), a laser or an electric arc in the process for Direct Energy Deposition (DED).
  • LBM laser beam Melting
  • EBM electron beam melting
  • DED Direct Energy Deposition
  • the or each energy source brings the energy along a (complex) trajectory, as in the DED method, or along a vector, as in the powder bed-based method.
  • the direction of the trajectory or the vector of the energy source (s) defines the direction of consolidation (solidification) of the component starting material in the built-up component layer.
  • the individual vectors can have predetermined distances from one another, which are, for example, dependent on an irradiation energy and / or on the material to be solidified.
  • the individual component layers result from the consolidation of the
  • Component starting material along at least one trajectory or a vector of the energy source (s).
  • the individual component layers can have a three-dimensional geometry, as is the case with some DED processes, for example.
  • the shape of the component layers is two-dimensional, such as in selective laser melting.
  • the component layer can be divided into individual sub-areas or segments, e.g. strips or rectangular islands, which are irradiated in a predetermined order.
  • path planning in powder bed-based methods, path planning is often referred to as " Hatching strategy ”). In the context of the present invention, this is also referred to as initial path planning. This includes, for example, the control of the energy source for creating the component or the individual component layers.
  • process monitoring for example a (thermographic) camera.
  • process monitoring it is possible, for example, to detect irregularities occurring in the build-up process in a component layer. Defects are suspected to be at the points on the component layer at which the irregularities in the signal from the monitoring system are fixed.
  • a defect point is understood to mean the points with imperfections in the consolidated material, such as pores, air or gas inclusions, cracks, binder defects and the non-melted or only partially melted powder particles enclosed in the consolidated material, but also the points with imperfections of the surface, such as accumulations of material, particles that arise due to the formation of spatters, and large coagulated particles (so-called balls) that have been formed and adhered to the surface due to the balling effect.
  • An irregular signal from the monitoring system cannot only be caused by a defect, because the signal can also be influenced by other local process conditions (e.g. local component geometry). Nevertheless, the comparison of the places with fixed irregularities often shows a very good correspondence with the actual defect points, which are detected in the built-up component with the help of computer tomography after the build-up process.
  • the points with irregularities in the build-up process can be determined with the help of a process monitoring system, but this is only used to make a statement about the quality of the finished component layer and / or the finished component. As a result, components of inferior quality may not be finished or sorted out. However, the loss of the already solidified component material and the production time required for it can significantly worsen the efficiency of the production process.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a method for additive manufacturing of a three-dimensional component with which the efficiency of the production can be improved or with which at least components can be manufactured in a better quality.
  • a position and spread of at least one defect in the component layer is determined and that a preheating area within the Component layer, which comprises the defect point, is determined and that a repair area within the component layer, which comprises the defect point, is determined.
  • the preheating area is preheated by means of energy input into the preheating area to a preheating temperature, which is in the temperature range between room temperature and a melting temperature of the component starting material, and that the repair area during or after the energy input into the preheating area for the purpose of repairing the defect point by means of a Energy input is remelted in the repair area. It is also provided that the energy is introduced into the preheating area and the repair area during or after the completion of the component layer and before the beginning of the creation of the next component layer. With the present method, the data from the process monitoring system can be used to repair defects in a component layer.
  • the repair takes place in that the already consolidated material of the component layer, which has at least one defect point, is melted and consolidated again in the repair area. In the context of the present invention, this is also referred to as "remelting". As a result, the defective areas are dissolved again, so to speak, and the material in the repair area can solidify without defective areas.
  • preheating the preheating area which advantageously includes the repair area, internal stresses that occur in the component material during the repair, for example at the edge of the repair area, can be reduced. This reduces the likelihood of new defects occurring during the repair. In this way, the repair can be carried out even more effectively and the finished components are of improved quality. In this way, possible rejects can be kept to a minimum.
  • a particular advantage of the solution according to the invention can be that the preheating and the subsequent repair can be carried out during or directly after the completion of the component layer, that is, before the beginning of the creation of the next component layer.
  • the defect point can then be reached particularly easily and the defect point can be prevented from spreading or continuing into further component layers.
  • the preheating and repair for example using a second energy source, can be carried out at the same time during the production of the component layer, for example by means of a first energy source. In this way, despite preheating and repairs, there are no significant delays in the production of the entire component.
  • the repair area is laid out locally around the defect point and its area is smaller than the area which is delimited by a closed contour of the component layer in which the defect point is located. In this case, the energy input and process time required for the repair is kept as low as possible.
  • the preheating area advantageously includes the repair area or is identical to the repair area. This ensures that the entire to Remelting for the purpose of repairing the area on the component layer is completely preheated.
  • the preheating area is preheated with an energy source and the repair area is remelted with the same energy source.
  • the energy source can also be the same as that used to manufacture the component.
  • the preheating area is preheated with one energy source and the repair area is remelted with another energy source or with several other energy sources. Then, for example, the production of the current component layer can be continued during the preheating or it can be started in parallel to the preheating to remelt the already preheated area of the repair area for the purpose of repair. In this way, repair-related delays in component production can be minimized.
  • a contour exposure of the preheating area or a bidirectional exposure within the contour of the preheating area is used to preheat the preheating area.
  • the preheating area can be preheated particularly effectively.
  • the energy is advantageously introduced into the preheating area before and during the remelting of the repair area. This prevents the temperature of the component material in the preheating area and / or in the repair area from dropping too quickly. In this way, a better repair result can be achieved.
  • This has the advantage that the slower, continuous reduction in energy input after the repair avoids high cooling rates will. This reduces the probability that a new defect will form in the repaired area, so that the repair result is improved even further.
  • This variant is particularly advantageous for repairing defects such as hot cracks.
  • the reduction in the cooling rates will lead to a reduction in the accumulated thermally-induced tensile strains in the temperature range between the liquidus and solidus temperature of the component material and thus automatically reduce the risk of renewed hot cracking during the repair.
  • the preheating area and the repair area are determined in such a way that they encompass the at least two defects.
  • the repair of the at least two defects in the component layer can thereby be carried out particularly effectively and efficiently.
  • a further object of the present invention is to specify a system for repairing a defect in a component layer of a three-dimensional component, which system can use data from a process monitoring system that monitors the consolidation of the component layer particularly effectively.
  • a repair preparation system is provided in the system according to claim 10, which receives data assigned to the component layer from the process monitoring system during or immediately after the completion of the component layer, using the data from the process monitoring system to determine the position and extent of at least one defect in the component layer and which lays out a preheating area within the component layer, which includes the defect site, and a repair area within the component layer, which includes the defect site.
  • the repair preparation system generates at least one new preheating path for at least one energy source within a contour of the preheating area for the purpose of preheating the preheating area and at least one new repair path for at least one energy source within a contour of the repair area for the purpose of repairing the defect in the component layer, and the data of the at least a new preheating path to preheat the preheating area and the data of the at least one new repair path for remelting the repair area are transmitted to the control system.
  • the system can be integrated as hardware or software into an existing manufacturing device or the control system for controlling the at least one energy source or coupled to it, for example as a hardware module or data carrier that contains a computer program, or as a software component that is used for a Existing software that is used to manufacture a component can be installed.
  • the system according to the invention essentially comprises an evaluation of the process monitoring data and an (extended) control of existing or possibly additional energy source (s) based thereon.
  • the manufacturing devices known from the prior art can thus be expanded and improved in a simple manner.
  • control system receives the data of the at least one new preheating path for preheating the preheating area and the data of the at least one new repair path for remelting the repair area during or after the completion of the component layer from the repair preparation system and that the control system is designed in such a way that that the preheating of the preheating area and remelting of the repair area is applied to the component layer during or immediately after the completion of the component layer and before the beginning of the creation of the next component layer.
  • the defect can be repaired particularly effectively.
  • more than one energy source if more than one energy source is available, these can be controlled on the one hand to manufacture the component layer and on the other hand to (simultaneously) preheat and remelt the defect point. In this way, a time delay until the next component layer is created can be kept particularly low.
  • the repair preparation system advantageously designs the repair area locally around the defect point and the area of the repair area is smaller than the area delimited by a closed contour of the component layer in which the defect is located. This can have an advantageous effect on the control of the energy source (s) in order to use as much energy and process time as necessary for the repair, but as little as possible.
  • the repair preparation system interprets the preheating area in such a way that the preheating area includes the repair area or is identical to the repair area. This ensures that the entire area on the component layer intended for remelting for the purpose of repair is completely preheated.
  • At least one energy source can be controlled in such a way that the energy of this energy source is alternately introduced into the preheating area and the repair area in order to thereby arrange the preheating of the preheating area and the remelting of the repair area in the same time interval. A time delay in production due to preheating and remelting can thus be minimized.
  • At least two energy sources can be controlled in such a way that the energy of one energy source is introduced exclusively into the preheating areas and the energy of the at least one other energy source is introduced exclusively into the repair areas.
  • the production of the current component layer can be continued during the preheating or it can be started in parallel to the preheating to remelt the already preheated area of the repair area for the purpose of repair. In this way, repair-related delays in component production can be minimized.
  • the repair preparation system interprets the preheating area and the repair area in such a way that the preheating area and the repair area (R j ) encompass the at least two defects.
  • the repair of the at least two defects in the component layer can thereby be carried out particularly effectively and efficiently.
  • the system is thus designed or suitable for carrying out the repair of defect point (s) in the component layer described in the method specified above and its advantageous embodiments.
  • new paths are generated for preheating and repairing, namely at least one new preheating path and at least one new repair path.
  • the at least one energy source brings energy into the preheating area or the repair area.
  • possible embodiments of the invention are specified how a new repair path is generated, how the repair area can be designed and how the at least one defect point can be repaired with the newly generated repair path.
  • the generation and application of the repair path and the design of the repair area can essentially be transferred to the generation and application of a preheating path and the design of the preheating area. The only difference is the respective energy (amount) that is introduced into the corresponding areas along the repair path or paths or preheating paths.
  • At least one new repair path of the energy source which is not included in the initial path planning for the component layer, is generated within a contour of the repair area for the purpose of repairing the defect by remelting the repair area, and that the repair is carried out by introducing energy in accordance with the new Repair path for remelting the repair area during or immediately after the completion of the component layer and before the beginning of the creation of the next component layer on the component layer.
  • the new repair path is an irradiation path that is regenerated for the repair area determined on the basis of the data from the process monitoring system and their evaluation.
  • the new repair path can be generated independently of the initial path planning for this area.
  • the repair area can be limited by a contour.
  • at least one new repair path is generated within the contour of the repair area, it being possible for the number of new repair paths to depend, for example, on the expansion of the repair area.
  • a component layer can consist of several closed contours.
  • the repair area is identical to a closed contour of the component layer in which the defect is located. In this way it can be ensured that the defect in the component layer is covered by the repair.
  • This embodiment variant is provided in particular for those cases in which the area of the defect point is comparable to the area of the closed contour of the component layer. In such cases, it can make more sense to remelt the completely closed contour again for the purpose of better homogeneity in the repaired contour. In such cases, the repair paths are created within an already known closed contour of the component layer in which the defect is located.
  • the repair area consists of all closed contours of the component layer.
  • a particularly homogeneous component layer is achieved through the repair, even if the defect point is only in one of the closed contours.
  • the new repair paths required for the repair can be created for an already known contour.
  • a pattern of the new repair paths differs from a pattern of the initial path planning for the component layer at the defect location.
  • the trajectories of the repair paths can differ from the trajectories according to the initial path planning in terms of their direction, length or shape. In this way, the defect can be repaired particularly effectively.
  • the parameters of the energy source when introducing energy according to the new repair path can differ from the corresponding parameters of the energy source when introducing energy according to the initial path planning for the component layer at the defect location.
  • This relates, for example, to a power and / or a feed rate and / or the focus position of the energy source and has the The advantage is that the repair can be carried out particularly efficiently and effectively.
  • the parameters can be selected in such a way that the material is remelted more deeply at the defect location than it was remelted when this component layer was created.
  • a component layer repaired by applying the or each new repair path of the energy source is checked by the process monitoring system, and that when at least one new defect point is identified in the component layer that has already been repaired, at least one further new repair path of the energy source is generated to repair the new defect point and the repair of the new defect point is carried out on the component layer before the beginning of the creation of the next component layer.
  • a repair of the component layer was successful and, if necessary, a new repair can be carried out in order to further improve the quality of the component.
  • the number of repairs that are carried out for a defect or a component layer can be limited so that, for example, a maximum of two repairs are carried out for a defect.
  • condition are defined which characterize a successful repair of a defect point, so that a decision as to whether a renewed repair of the component layer is carried out can be made on the basis of the fulfillment of these conditions.
  • a classification and / or decision can be made both automatically and manually.
  • a classification of defects is not limited to new defects in a repaired component layer, but can also be used when checking the respective initial component layer (s).
  • the repair preparation system generates at least one new repair path for the energy source, which is not included in the initial path planning for the component layer, for the purpose of repairing the defect in the component layer, and the data of the at least one new repair path, which at least includes the trajectory of the Include energy source in the component layer, transmitted to the control system of the at least one energy source for repairing the defect. Further preferred details of the invention can be found in the description and the drawings.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the method in a schematic
  • FIG. 3 shows a first example of a repair of a defect in a component layer using the method according to FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a second example of a repair of a defect in a component layer using the method according to FIG. 2;
  • FIG. 5 shows a third example of a repair of a defect in a component
  • FIG. 6 shows a first example of a repair of several defects in a component layer using the method according to FIG. 2,
  • FIG. 7 shows a second example of a repair of several defects in a component layer using the method according to FIG. 2.
  • the invention is concerned with the additive manufacturing of a three-dimensional component 10.
  • the production takes place by multiple incremental addition of powder or wire-like component starting material, which is done by selective melting and / or sintering by means of at least one Energy source 11 is consolidated.
  • the number (n) of layers is generally determined prior to manufacture.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a method 12 for additive manufacturing of a three-dimensional component 10 in a schematic representation.
  • an initial path plan 13 is developed for the entire component 10 for each component layer L to be created. This is also referred to as pre-processing and is not part of the present invention.
  • the initial path planning 13 is specified for the entire component 10 and transmitted to a control system 15 in a first step 14. This is the transition from pre-processing to the actual construction process.
  • the at least one energy source 11 (FIG. 1) is controlled with the control system 15, so that energy according to the initial path planning 13 is fed into the
  • the initial path planning 13 generally comprises a plurality of paths which, for example, indicate a direction, a length and / or a distance from irradiation vectors 16 (FIG. 1).
  • Irradiation vectors 16 for example by means of laser radiation or electron radiation from the energy source 11, are introduced into the component starting material.
  • One also speaks of a pattern (also hatching or hatching strategy) of the initial path planning 13, which results from the combination of the irradiation vectors 16 for at least one area of the component layer to be manufactured.
  • Fig. 1 three regions (strips) 17, 18, 19 of the component layer U (to be created) are shown by way of example, into which energy, e.g. in the form of radiation, is introduced along the irradiation vectors 16 with the energy source 11.
  • the irradiation vectors 16 lying directly next to one another are processed one after the other in a specific direction.
  • the sequence in which the irradiation vectors 16 are processed can be determined in a suitable manner in the control system 15. If energy is introduced into the component layer with more than one energy source 11, for example two or more of the regions 17, 18, 19 of the component layer U can also be irradiated at the same time and thus consolidated.
  • An initial path planning 20 for the component layer U currently to be created can be called up by the control system 15, so that in a next step 21 of the Method the component starting material for the creation of this component layer U is consolidated.
  • the production of the component 10 is monitored in a process monitoring system 22. Consequently, in a further step 23, the creation, i.e. the consolidation, of the current component layer L is also monitored with the process monitoring system 22.
  • the process monitoring system 22 can be, for example, a thermographic camera that takes one or more recordings of the component layer L or an area on the component layer L.
  • the area that is monitored by the process monitoring system 22 can, for example, be limited to the part of the component layer L that has already been consolidated.
  • the manufacturing process corresponds to the processes known in the prior art. Data that are collected during process monitoring are used to make or collect general statements or information about the quality of the manufacturing process or the finished component.
  • the method according to the invention is used here in order to improve the quality of the finished component in a targeted manner.
  • data from the process monitoring system 22, which were collected in the previous step 23, are accordingly transmitted to a repair preparation system 25. This can take place as soon as monitoring data of the component layer U currently to be manufactured is available, that is, when this has been at least partially consolidated.
  • the repair preparation system 25 is part of the system according to the invention for repairing a defect D j in a component layer U.
  • the position and extent of at least one defect D j is determined in a next step 26.
  • This step 26 can include that a defect D j is first identified.
  • Typical defects D j in component layers include, for example, binding defects, pores, cracks and inclusions, but also imperfections on the surface, such as relatively large particles that have been formed and adhered to the surface due to the balling effect or the formation of spatter. If necessary, the defect point can be classified and a defect point identified or discarded on the basis of the classification.
  • the repair preparation system 25 can query the total number of defects. If no defects D j could be identified in the entire component layer L, the next possible step 28 is a transfer to the next component layer U + i .
  • a counter 32 is first initiated for a number of repairs to the at least one defect D j , ie set to zero.
  • the repair preparation system determines a repair area R j (FIG. 3) within the component layer U which includes the defect point D j.
  • At least one new repair path 34 (FIG. 3) of the energy source 11 is generated within a contour 35 (FIG. 3) of the repair area D j. Since a repair of a defect in a component layer U was not provided in the initial path planning 13, the at least one new repair path 34 is not provided therein. It is therefore a newly generated path that is specifically geared towards the introduction of energy into the repair area R j . Depending on the size of the repair area R j , several new repair paths 34 can also be generated, so that the repair area R j is designed as completely as possible with new repair paths 34 in order to achieve an effective repair by remelting the entire repair area R j .
  • the repair preparation system 25 determines a preheating area V j within the component layer L which includes the defect point D j. For this preheating area V j , for example, at least one new preheating path 47 is generated in the repair preparation system 25 for the at least one energy source 11 within a contour 48 of the preheating area V j .
  • the at least one preheating path 47 can be generated essentially like the repair path 34. The preheating is described in more detail below with reference to FIG. 4.
  • a next step 36 the or each newly generated repair path 34 and the or each newly generated preheating path 47 for a defect D j are transmitted to the control system 15.
  • the control system 15 controls the at least one energy source 11 in order to introduce energy into the preheating area V j in a subsequent step 37 along the at least one preheating path 47 in order to preheat it to a temperature range between room temperature and a melting temperature of the component raw material.
  • the control system 15 controls the at least one energy source 11, so that in step 37 energy is introduced into the repair area R j according to the or each new repair path 34.
  • the resulting remelting of the repair area R j is referred to as repair in the context of the present invention.
  • the process monitoring system 22 also monitors the (renewed) consolidation of the repair area R j.
  • the data recorded in this way are transmitted to the repair preparation system 25 in a subsequent step 39, in which the defect point D j is checked in a next step 40. If the following query 41 as to whether the defect point D j has been eliminated is answered in the affirmative, a counter 42 of the defect points D j is incremented. If a further query 43 shows that there are no more defects D j in the component layer U, the next step 44 is a transfer to the next component layer U + 1 and the method is continued with query 30. In the event that the defect D j has not been repaired, the counter 32 for the number of repairs is first increased. If a subsequent query 45 shows that a maximum number of repairs has already been reached, the method is continued with increasing the counter 42 for the defect locations D j . Otherwise, the method is continued with step 33, whereby at least one new one again
  • Repair path 34 is generated for the repair area R j.
  • the maximum number of repairs can be specified or selected in a suitable manner. Among other things, manufacturing conditions such as an overall size of the component or the component layer and / or a number and / or power of the energy source (s) can be taken into account.
  • the renewed repair and the associated calculation steps and queries can be in alternative
  • Embodiments of the method can also be omitted. If query 43 shows that not all of the defects D j have yet been repaired, the method continues with step 33. Accordingly, there will be at least one new
  • FIG. 3 shows a first example of a repair of a defect D j in a component layer L (FIG. 1) using the method described in connection with FIG. 2.
  • the example shown in FIG. 3 relates only to the remelting in the repair area R j .
  • the repair area R j is preheated before remelting, as is described in detail, for example, with reference to FIGS. 4, 5 and 7.
  • the defect point D j identified in the component layer U is shown in Figure a). This usually has an irregular contour.
  • FIG. 3 shows the repair area R j , which completely encompasses the defect point D j.
  • the repair area R j is preferably designed locally around the defect point D j and its area is preferably smaller than the area which is delimited by a closed contour 46 (FIG. 1) of the component layer U which includes the defect point D j. That is, the contour 35 of the repair area R j runs within the closed contour 46 of the component layer U.
  • the repair area R j is identical to the closed contour 46 of the component layer L in which the defect D j is located.
  • the repair area R j consists of all closed contours of the component layer L.
  • the new repair paths 34 generated for the repair area R j can preferably have a different pattern than the paths that were provided in the initial path planning of the component layer L for the repair area R j or the defect point D j , see also FIG. 1.
  • a deviation of the pattern can be shown, for example, in deviations in a direction, length and / or course of the repair paths or in a sequence in which individual repair paths are processed.
  • one or more parameters of the energy sources can also be used in addition or as an alternative to the energy input according to the new repair path (s) from corresponding parameters according to the initial path planning in the repair area R j or at the Defect point D j differ.
  • the same energy source (s) are used both for creating the component layer and for repairing it or for repairing the defect locations.
  • one or more additional energy sources can optionally also be used, which can be used either for the repair or for the Completion of the component layer U can be controlled.
  • repair-related delays in the manufacture of the component can be kept particularly low.
  • FIG. 4 shows a second example of a repair of a defect D j in a component layer L using the method according to FIG. 2.
  • the defect point D j identified in the component layer L is shown in Figure a). This usually has an irregular contour.
  • a preheating area V j and a repair area R j which include the defect location D j , were determined by the repair preparation system 25.
  • the repair area R j can be designed as described with reference to FIG. 3.
  • the preheating area V j also includes the repair area R j .
  • the repair area R j is smaller than the preheating area V j .
  • the area of the preheating area V j on the component layer L can also be identical to the area of the repair area R j .
  • energy for example in the form of laser or electron beams, is introduced into the preheating area V j by means of the energy source 11, as shown in Figure b) and Figure c) of FIG.
  • the component material is brought to a temperature in this area that is between room temperature and a melting temperature of the component raw material.
  • a contour exposure can be used to preheat the preheat area V j , as shown in Figure b).
  • the energy from the energy source 11 is introduced along contours that are parallel to the contour 48 of the preheating area V j and the contour 35 of the repair area R j , and along these contours 35, 48 themselves.
  • bidirectional exposure within the contour 48 of the preheating area V j can be used to preheat the preheating area, as shown in Figure c) of FIG. 4.
  • the repair area R j When a desired temperature or a desired temperature range of the preheating area V j is reached, the repair area R j is remelted. For this purpose, energy from the energy source 11 in FIG the repair area R j is introduced, as already described with reference to FIG. 3, illustration c), see illustration d).
  • the defect point D j is not shown so that the preheating paths 47 and repair paths 34 can be better recognized.
  • the preheating area V j can optionally be reheated. This is shown in Figures e) and f) of FIG.
  • the preheating area Vj or alternatively only the repair area Rj, is kept for a predetermined period of time in the temperature range between room temperature and the melting temperature of the component raw material after remelting the repair area R j.
  • so-called post-heating energy is introduced into the preheating area Vj, or alternatively also only into the repair area Rj, by means of the energy source 11.
  • the energy can be introduced by means of contour exposure ( Figure e) or bidirectional exposure ( Figure f).
  • the previously determined preheating paths 47 can be used for this purpose.
  • FIG. 5 shows a third example of repairing a defect D j in a component layer U using the method according to FIG. 2.
  • a preheating area V j and repair area R j are determined and the preheating area V j is preheated with at least one energy source 11.
  • the preheating takes place by means of a contour exposure.
  • at least one further energy source 11 is used in accordance with Figure c) of FIG. 5 in order to remelt the repair area R j , in which the and c) defect point D j (not shown) is located.
  • the other or the other energy source (s) 11 keep the preheating area V j at the desired temperature range, for example, as shown here, by means of a bidirectional exposure.
  • the temperature in the preheating area V j can be better controlled, so that a better end result can be achieved during the repair.
  • FIG. 6 shows a first example of a repair of several defect locations D j in a component layer with the method according to FIG. 1.
  • the number of defects D j for which such a comprehensive repair area R j can be determined can be predetermined or limited.
  • FIG. 7 shows a second example of a repair of a plurality of defects D j in a component layer U using the method according to FIG. 2.
  • This exemplary embodiment extends the repair area R j shown in FIG. 6, which has a plurality of defects D j , by a preheating area V j .
  • the preheating area V j comprises the repair area R j and can, as described with reference to FIGS. 4 and 5, with energy for preheating and optionally also for reheating be applied.
  • the exposure for preheating and optionally post-heating can be bidirectional as shown here. In the embodiment variants not shown here, a contour exposure can alternatively also be used.
  • a plurality of energy sources 11 are preferably used for preheating and remelting, and optionally also for reheating.
  • only one energy source 11 can be used, which then brings in both energy for preheating in the preheating area V j and (higher) energy for remelting in the repair area R j .
  • the preheating area V j or the repair area R j can also be reheated with a single energy source 11.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (12) zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils (10) aus mehreren Bauteilschichten (Li), das durch mehrfaches inkrementelles Hinzufügen von pulver- oder drahtförmigem Bauteilausgangsmaterial und formgebendes Konsolidieren des Bauteilausgangsmaterials durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels mindestens einer Energiequelle (11), wobei die Einbringung der Energie gemäß einer, vor dem Beginn der Fertigstellung einer Bauteilschicht (Li) definierten anfänglichen Pfadplanung (13) der oder jeder Energiequelle (11) für diese Bauteilschicht (Li) erfolgt und das Erstellen der Bauteilschicht (Li) in einem Prozessüberwachungssystem (22) überwacht wird und die Bauteilschicht (Li) mindestens zum Teil konsolidiert wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mit Nutzung von Daten aus dem Prozessüberwachungssystem (22) über den konsolidierten Teil der Bauteilschicht (Li), eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle (Dj) in der Bauteilschicht (Li) bestimmt wird und ein Vorwärmbereich (Vj) innerhalb der Bauteilschicht (Li), der die Defektstelle (Dj) umfasst, bestimmt wird und ein Reparaturbereich (Rj) innerhalb der Bauteilschicht (Li), der die Defektstelle (Dj) umfasst, bestimmt wird, und dass der Vorwärmbereich (Vj) mittels einer Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (Vj) auf eine Vorwärmtemperatur, die im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und einer Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials liegt, vorgewärmt wird und der Reparaturbereich (Rj) während oder nach der Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (Vj) zwecks Reparatur der Defektstelle (Dj) mittels einer Energieeinbringung in den Reparaturbereich (Rj) umgeschmolzen wird, und dass die Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (Vj) und den Reparaturbereich (Rj) während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (Li) und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht (Li+1) erfolgt.

Description

Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils und System zur Reparatur
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus mehreren Bauteilschichten durch mehr mehrfaches inkrementeiles Hinzufügen von pulver- oder drahtförmigem Bauteilausgangsmaterial und formgebendes Konsolidieren des Bauteilausgangsmaterials durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels mindestens einer Energiequelle gemäß dem Oberbegriff das Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein System zur Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht eines dreidimensionalen Bauteils gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10. Als Bauteilausgangsmaterial eignen sich bei der vorliegenden Erfindung besonders, aber nicht ausschließlich, metallische Materialien, wie z.B. die Aluminiumlegierung AISMOMg, die Titanlegierung Ti64 oder Nickelbasislegierungen. Auch Kunststoffe, wie z.B. Polyamid 11 oder Polyamid 12, eignen sich als Bauteilausgangsmaterial. Die Energie zum Schmelzen und/oder Sintern des Bauteilausgangsmaterials wird beispielsweise durch einen oder mehrere Laser beim selektiven Laserschmelzen (Laser beam Melting, LBM) oder einen oder mehrere Elektronenstrahlen beim Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting, EBM), einen Laser oder einen Lichtbogen bei den Verfahren zur Direct Energy Deposition (DED) eingebracht. Die oder jede Energiequelle bringt die Energie entlang einer (komplexen) Trajektorie, wie bei den DED-Verfahren, oder entlang eines Vektors, wie bei den pulverbett-basierten Verfahren, ein. Die Richtung der Trajektorie bzw. des Vektors der Energiequelle(n) definiert die Richtung der Konsolidierung (Verfestigung) des Bauteilausgangsmaterials in der aufgebauten Bauteilschicht. Die einzelnen Vektoren können vorgegebene Abstände voneinander aufweisen, die beispielsweise abhängig von einer Bestrahlungsenergie und/oder von dem zu verfestigenden Material sind. Die einzelnen Bauteilschichten entstehen durch die Konsolidierung des
Bauteilausgangsmaterials entlang von mindestens einer Trajektorie oder eines Vektors der Energiequelle(n). Im allgemeinen Fall, entsprechend der Komplexität der Trajektorien der Energiequelle(n), können die einzelnen Bauteilschichten eine dreidimensionale Geometrie besitzen, wie z.B. bei einigen DED-Verfahren. Bei den pulverbett-basierten Verfahren ist die Form der Bauteilschichten zweidimensional, wie z.B. bei dem selektiven Laserschmelzen. Die Bauteilschicht kann in einzelne Teilbereiche oder Segmente, z.B. Streifen oder rechteckige Inseln, aufgeteilt werden, die in einer vorgegebenen Reihenfolge bestrahlt werden. Die Art und Weise, in der die Bauteilschicht mittels Energieeinbringung anhand von Trajektorien oder Vektoren der Energiequelle konsolidiert wird, wird im Allgemeinen vor der Erstellung eines Bauteils oder einer Bauteilschicht festgelegt und als Pfadplanung bezeichnet (bei den pulverbett-basierten Verfahren wird die Pfadplanung häufig als „Hatching-Strategie“ bezeichnet). Dies wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als anfängliche Pfadplanung bezeichnet. Davon umfasst ist beispielsweise die Ansteuerung der Energiequelle zum Erstellen des Bauteils bzw. der einzelnen Bauteilschichten.
Das Erstellen einer oder mehrerer solcher Bauteilschichten wird üblicherweise mit einem Prozessüberwachungssystem, z.B. einer (Thermographie-)Kamera, überwacht. Mithilfe der Prozessüberwachung ist es beispielsweise möglich, auftretende Unregelmäßigkeiten im Aufbauprozess in einer Bauteilschicht zu erkennen. An den Stellen der Bauteilschicht, an welchen die Unregelmäßigkeiten im Signal des Überwachungssystems fixiert werden, werden Defektstellen vermutet. Unter einer Defektstelle werden im Rahmen der vorliegenden Anmeldung die Stellen mit Imperfektionen im konsolidierten Material, wie Poren, Luft- oder Gaseinschlüsse, Risse, Binderfehler und die im konsolidierten Material eingeschlossenen nicht- oder nur teilweise geschmolzenen Pulverteilchen verstanden, aber auch die Stellen mit Imperfektionen an der Oberfläche, wie Materialanhäufungen, Teilchen, die aufgrund der Spritzer-Bildung entstehen, und große koagulierte Teilchen (so genannten Balls), die aufgrund des Balling-Effektes ausgebildet und an die Oberfläche angeheftet worden sind. Ein unregelmäßiges Signal des Überwachungssystems kann nicht nur von einer Defektstelle verursacht werden, weil das Signal auch von den anderen lokalen Prozessbedingungen beeinflusst werden kann (z.B. lokale Bauteilgeometrie). Dennoch zeigt der Vergleich der Stellen mit dort fixierten Unregelmäßigkeiten häufig eine sehr gute Übereinstimmung mit den tatsächlichen Defektstellen, die nach dem Aufbauprozess mit Hilfe von Computer-Tomographie im aufgebauten Bauteil nachgewiesen werden.
Zwar können im Stand der Technik mit Hilfe eines Prozessüberwachungssystems die Stellen mit Unregelmäßigkeiten im Aufbauprozess festgestellt werden, jedoch wird dies höchstens dazu genutzt, eine Aussage über die Qualität der fertiggestellten Bauteilschicht und/oder des fertiggestellten Bauteils zu machen. Dadurch können qualitativ minderwertige Bauteile gegebenenfalls nicht fertiggestellt bzw. aussortiert werden. Der Verlust des bereits verfestigten Bauteilmaterials und der dafür benötigten Fertigungszeit können die Effizienz des Fertigungsverfahrens allerdings maßgeblich verschlechtern.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils bereitzustellen, mit dem die Effizienz der Fertigung verbessert werden kann oder mit dem zumindest Bauteile in einer besseren Qualität gefertigt werden können.
Für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils ist gemäß Anspruch 1 daher vorgesehen, dass mit Nutzung von Daten aus dem Prozessüberwachungssystem über den konsolidierten Teil der Bauteilschicht eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle in der Bauteilschicht bestimmt wird und dass ein Vorwärmbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, bestimmt wird und dass ein Reparaturbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, bestimmt wird. Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Vorwärmbereich mittels einer Energieeinbringung in den Vorwärmbereich auf eine Vorwärmtemperatur, die im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und einer Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials liegt, vorgewärmt wird und dass der Reparaturbereich während oder nach der Energieeinbringung in den Vorwärmbereich zwecks Reparatur der Defektstelle mittels einer Energieeinbringung in den Reparaturbereich umgeschmolzen wird. Dabei ist außerdem vorgesehen, dass die Energieeinbringung in den Vorwärmbereich und den Reparaturbereich während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht erfolgt. Mit dem vorliegenden Verfahren können die Daten des Prozessüberwachungssystems genutzt werden, um Defektstellen in einer Bauteilschicht zu reparieren. Die Reparatur erfolgt, indem das bereits konsolidierte, die mindestens eine Defektstelle aufweisende Material der Bauteilschicht im Reparaturbereich wieder aufgeschmolzen und konsolidiert wird. Dies wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als "Umschmelzen" bezeichnet. Die Defektstellen werden dadurch sozusagen wieder aufgelöst und das Material im Reparaturbereich kann sich ohne Defektstellen verfestigen. Durch das Vorwärmen des Vorwärmbereichs, der vorteilhafterweise den Reparaturbereich umfasst, können während der Reparatur auftretende Eigenspannungen des Bauteilmaterials, beispielsweise am Rand des Reparaturbereichs, reduziert werden. Die Wahrscheinlichkeit, dass bei der Reparatur neue Defekte entstehen, wird dadurch verringert. Auf diese Weise kann die Reparatur noch effektiver erfolgen und die fertigen Bauteile weisen eine verbesserte Qualität auf. Ein möglicher Ausschuss kann auf diese Weise gering gehalten werden.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung kann dabei sein, dass das Vorwärmen und die anschließende Reparatur während oder direkt nach der Fertigstellung der Bauteilschicht vorgenommen werden können, also vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht. Die Defektstelle kann dann besonders einfach erreicht werden und eine Ausbreitung oder Fortsetzung der Defektstelle in weitere(n) Bauteilschichten kann so verhindert werden. Wenn mehr als eine Energiequelle zur Verfügung stehen, kann bereits während der Fertigung der Bauteilschicht, beispielsweise mittels einer ersten Energiequelle, gleichzeitig das Vorwärmen und die Reparatur, beispielsweise mittels einer zweiten Energiequelle, durchgeführt werden. Auf diese Weise entstehen trotz Vorwärmen und Reparatur keine wesentlichen zeitlichen Verzögerungen bei der Fertigung des gesamten Bauteils.
Es kann vorgesehen sein, dass der Reparaturbereich lokal um die Defektstelle ausgelegt wird und seine Fläche kleiner ist als die Fläche, die durch eine geschlossene Kontur der Bauteilschicht begrenzt wird, in welcher sich die Defektstelle befindet. In diesem Fall wird die für die Reparatur benötigte Energieeinbringung und Prozesszeit für die Reparatur so gering wie möglich gehalten.
Vorteilhafterweise umfasst der Vorwärmbereich den Reparaturbereich oder ist mit dem Reparaturbereich identisch. So wird sichergestellt, dass der gesamte zum Umschmelzen zwecks Reparatur vorgesehene Bereich auf der Bauteilschicht vollständig vorgewärmt wird.
In einigen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Vorwärmbereich mit einer Energiequelle vorgewärmt wird und der Reparaturbereich mit derselben Energiequelle umgeschmolzen wird. Die Energiequelle kann außerdem dieselbe sein, die auch für die Fertigung des Bauteils eingesetzt wird.
In alternativen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Vorwärmbereich mit einer Energiequelle vorgewärmt wird und der Reparaturbereich mit einer anderen Energiequelle oder mit mehreren anderen Energiequellen umgeschmolzen wird. Dann kann beispielsweise während des Vorwärmens die Fertigung der aktuellen Bauteilschicht fortgesetzt werden oder es kann parallel zum Vorwärmen begonnen werden, den bereits vorgewärmten Bereich des Reparaturbereichs zwecks Reparatur umzuschmelzen. Auf diese Weise können reparaturbedingte zeitliche Verzögerungen bei der Bauteilfertigung minimiert werden.
Es kann vorgesehen sein, dass zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs eine Konturbelichtung des Vorwärmbereichs oder eine bidirektionale Belichtung innerhalb der Kontur des Vorwärmbereichs verwendet wird. Dadurch kann der Vorwärmbereich besonders effektiv vorgewärmt werden.
Vorteilhafterweise erfolgt die Energieeinbringung in den Vorwärmbereich vor und während des Umschmelzens des Reparaturbereichs. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Temperatur des Bauteilmaterials im Vorwärmbereich und/oder im Reparaturbereich zu schnell abfällt. So lässt sich ein besseres Reparaturergebnis erzielen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Vorwärmbereich oder der Reparaturbereich nach dem Umschmelzen des Reparaturbereichs für eine vorgegebene Zeitspanne im Temperaturbereich zwischen der Raumtemperatur und der Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials gehalten wird, indem in den Vorwärmbereich oder den Reparaturbereich eine Nachwärmeenergie mittels einer oder mehreren Energiequellen eingebracht wird. Dies hat den Vorteil, dass durch die langsamere, kontinuierliche Reduktion der Energieeinbringung nach der Reparatur hohe Abkühlraten vermieden werden. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit verringert, dass sich in dem reparierten Bereich eine neue Defektstelle ausbildet, so dass das Reparaturergebnis noch weiter verbessert wird. Besonders vorteilhaft ist diese Ausführungsvariante für die Reparatur solcher Defekte wie Heißrisse. Die Verringerung der Abkühlraten wird zur Reduktion der akkumulierten thermisch-bedingten Zugdehnungen im Temperaturbereich zwischen der Liquidus- und der Solidus-Temperatur des Bauteilmaterials führen und damit automatisch die Gefahr der erneuten Heißrissbildung während der Reparatur verringern.
In vorteilhaften Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass wenn mindestens zwei Defektstellen in einem vorgegebenen Abstand voneinander in der Bauteilschicht auftreten, der Vorwärmbereich und der Reparaturbereich derart bestimmt werden, dass sie die mindestens zwei Defektstellen umfassen. Die Reparatur von den mindestens zwei Defektstellen in der Bauteilschicht kann dadurch besonders effektiv und effizient durchgeführt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt als weitere Aufgabe zugrunde, ein System zur Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht eines dreidimensionalen Bauteils anzugeben, das Daten von einem Prozessüberwachungssystem, das die Konsolidierung der Bauteilschicht überwacht, besonders effektiv nutzen kann.
Dafür ist bei dem System gemäß Anspruch 10 ein Reparaturvorbereitungssystem vorgesehen, welches der Bauteilschicht zugeordnete Daten aus dem Prozessüberwachungssystem während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht empfängt, mit Nutzung der Daten aus dem Prozessüberwachungssystem eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle in der Bauteilschicht bestimmt und welches einen Vorwärmbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, und einen Reparaturbereich innerhalb der Bauteilschicht, der die Defektstelle umfasst, auslegt. Außerdem werden durch das Reparaturvorbereitungssystem mindestens ein neuer Vorwärmpfad für mindestens eine Energiequelle innerhalb einer Kontur des Vorwärmbereichs zwecks Vorwärmens des Vorwärmbereichs und mindestens ein neuer Reparaturpfad für mindestens eine Energiequelle innerhalb einer Kontur des Reparaturbereichs zwecks Reparatur der Defektstelle in der Bauteilschicht generiert, und die Daten des mindestens einen neuen Vorwärmpfades zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs und die Daten des mindestens einen neuen Reparaturpfades zum Umschmelzen des Reparaturbereichs werden an das Steuerungssystem übermittelt.
Durch das erfindungsgemäße System können im Stand der Technik bereits vorhandene Daten effektiv genutzt werden und so zur Verbesserung der Qualität und Effizienz der Fertigung eines Bauteils beitragen. Das System kann als Hardware oder Software in eine bestehende Fertigungsvorrichtung bzw. das Steuerungssystem zur Ansteuern der mindestens einen Energiequelle integriert oder mit diesem gekoppelt werden, beispielsweise als Hardware-Modul oder Datenträger, der ein Computerprogramm enthält, oder als Software-Komponente, die für eine bestehende Software, die für die Fertigung eines Bauteils zum Einsatz kommt, installiert werden kann. Im Wesentlichen umfasst das erfindungsgemäße System eine Auswertung der Prozessüberwachungsdaten und einer darauf basierenden (erweiterten) Ansteuerung von vorhandenen oder gegebenenfalls zusätzlichen Energiequelle(n). Die aus dem Stand der Technik bekannten Fertigungsvorrichtungen lassen sich somit auf einfache Weise erweitern und verbessern.
Es kann vorgesehen sein, dass das Steuerungssystem die Daten des mindestens einen neuen Vorwärmpfades zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs und die Daten des mindestens einen neuen Reparaturpfades zum Umschmelzen des Reparaturbereichs während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht aus dem Reparaturvorbereitungssystem empfängt und dass das Steuerungssystem derart ausgelegt ist, dass das Vorwärmen des Vorwärmbereichs und Umschmelzen des Reparaturbereichs während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht auf die Bauteilschicht angewendet wird. Dadurch kann die Defektstelle besonders effektiv repariert werden. Insbesondere wenn mehr als eine Energiequelle zur Verfügung stehen, können diese einerseits zur Fertigung der Bauteilschicht und andererseits zum (zeitgleichen) Vorwärmen und Umschmelzen der Defektstelle angesteuert werden. So kann eine zeitliche Verzögerung bis zur Erstellung der nächsten Bauteilschicht besonders gering gehalten werden.
Vorteilhafterweise legt das Reparaturvorbereitungssystem den Reparaturbereich lokal um die Defektstelle aus und ist die Fläche des Reparaturbereichs kleiner ist als die Fläche, die durch eine geschlossene Kontur der Bauteilschicht begrenzt wird, in welcher sich die Defektstelle befindet. Dies kann sich vorteilhaft auf die Ansteuerung der Energiequelle(n) auswirken, um so viel wie nötig, aber so wenig wie möglich Energie und Prozesszeit für die Reparatur einzusetzen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Reparaturvorbereitungssystem den Vorwärmbereich so auslegt, dass der Vorwärmbereich den Reparaturbereich umfasst oder mit dem Reparaturbereich identisch ist. So wird sichergestellt, dass der gesamte zum Umschmelzen zwecks Reparatur vorgesehene Bereich auf der Bauteilschicht vollständig vorgewärmt wird.
In vorteilhaften Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass mindestens eine Energiequelle so ansteuerbar ist, dass die Energie dieser Energiequelle wechselnd in den Vorwärmbereich und in den Reparaturbereich eingebracht wird, um dadurch das Vorwärmen des Vorwärmbereichs und das Umschmelzen des Reparaturbereichs in einem gleichen Zeitintervall zu gestalten. Eine zeitliche Verzögerung der Fertigung aufgrund des Vorwärmens und Umschmelzen kann dadurch minimiert werden.
In alternativen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei Energiequellen so ansteuerbar sind, dass die Energie einer Energiequelle ausschließlich in die Vorwärmbereiche und die Energie der mindestens einen anderen Energiequelle ausschließlich in die Reparaturbereiche eingebracht wird. So kann beispielsweise während des Vorwärmens die Fertigung der aktuellen Bauteilschicht fortgesetzt werden oder es kann parallel zum Vorwärmen begonnen werden, den bereits vorgewärmten Bereich des Reparaturbereichs zwecks Reparatur umzuschmelzen. Auf diese Weise können reparaturbedingte zeitliche Verzögerungen bei der Bauteilfertigung minimiert werden.
Wenn mindestens zwei Defektstellen in einem vorgegebenen Abstand voneinander in der Bauteilschicht bestimmt werden, kann vorgesehen sein, dass das Reparaturvorbereitungssystem den Vorwärmbereich und den Reparaturbereich derart auslegt, dass der Vorwärmbereich und der Reparaturbereich (Rj) die mindestens zwei Defekte umfassen. Die Reparatur von den mindestens zwei Defektstellen in der Bauteilschicht kann dadurch besonders effektiv und effizient durchgeführt werden. Das System ist somit zur Ausführung der in dem weiter oben angegebenen Verfahren und seinen vorteilhaften Ausführungsformen beschriebenen Reparatur von Defektstelle(n) in der Bauteilschicht ausgebildet oder geeignet.
Zum Vorwärmen und Reparieren werden gemäß der vorliegenden Erfindung neue Pfade generiert, nämlich mindestens ein neuer Vorwärmpfad und mindestens ein neuer Reparaturpfad. Entlang dieser Pfade bringt die mindestens eine Energiequelle Energie in den Vorwärmbereich bzw. den Reparaturbereich.
Im Folgenden werden mögliche Ausführungsformen der Erfindung angegeben, wie ein neuer Reparaturpfad generiert wird, wie der Reparaturbereich ausgelegt sein kann und wie die mindestens eine Defektstelle mit dem neu generierten Reparaturpfade repariert werden kann. Die Generierung und Anwendung des Reparaturpfads sowie die Auslegung des Reparaturbereichs kann auf die Generierung und Anwendung eines Vorwärmpfads sowie die Auslegung des Vorwärm bereichs im Wesentlichen übertragen werden. Unterschiedlich ist nur die jeweilige Energie(menge), die entlang des oder der Reparaturpfade bzw. Vorwärmpfade in die entsprechenden Bereiche eingebracht wird.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens ein neuer Reparaturpfad der Energiequelle, der in der anfänglichen Pfadplanung für die Bauteilschicht nicht enthalten ist, innerhalb einer Kontur des Reparaturbereichs zwecks Reparatur der Defektstelle durch Umschmelzen des Reparaturbereichs generiert wird, und dass die Reparatur durch Energieeinbringung gemäß dem neuen Reparaturpfad zum Umschmelzen des Reparaturbereichs während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht an der Bauteilschicht durchgeführt wird.
Mithilfe des mindestens einen neuen Reparaturpfads wird somit erneut Energie in die bereits verfestigte Bauteilschicht eingebracht, und zwar in dem Bereich, in dem sich die aufgefundene Defektstelle befindet. Der neue Reparaturpfad ist ein Bestrahlungspfad, der für den auf Basis der Daten des Prozessüberwachungssystems und deren Auswertung bestimmten Reparaturbereich neu generiert wird. Der neue Reparaturpfad kann unabhängig von der anfänglichen Pfadplanung für diesen Bereich generiert werden. Der Reparaturbereich kann durch eine Kontur begrenzt sein. Für die Reparatur wird mindestens ein neuer Reparaturpfad innerhalb der Kontur des Reparaturbereichs generiert, wobei die Anzahl der neuen Reparaturpfade z.B. von der Ausbreitung des Reparaturbereichs abhängig sein kann.
Im allgemeinen Fall kann eine Bauteilschicht aus mehreren geschlossenen Konturen bestehen. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist der Reparaturbereich mit einer geschlossenen Kontur der Bauteilschicht, in der sich die Defektstelle befindet, identisch. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Defektstelle in der Bauteilschicht von der Reparatur erfasst wird. Diese Ausführungsvariante ist insbesondere für die Fälle vorgesehen, bei denen die Fläche der Defektstelle vergleichbar mit der Fläche der geschlossenen Kontur der Bauteilschicht ist. In solchen Fällen kann es sinnvoller sein, zwecks einer besseren Homogenität in der reparierten Kontur, die komplette geschlossene Kontur erneut umzuschmelzen. In solchen Fällen werden die Reparaturpfade innerhalb einer bereits bekannten geschlossenen Kontur der Bauteilschicht erstellt, in der sich die Defektstelle befindet.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Reparaturbereich aus allen geschlossenen Konturen der Bauteilschicht besteht. Dadurch wird durch die Reparatur eine besonders homogene Bauteilschicht erreicht, auch wenn sich die Defektstelle nur in einer der geschlossenen Konturen befindet. Auch hier können die für die Reparatur benötigten neuen Reparaturpfade für eine bereits bekannte Kontur erstellt werden.
In vorteilhaften Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass sich ein Muster der neuen Reparaturpfade von einem Muster der anfänglichen Pfadplanung für die Bauteilschicht an der Defektstelle unterscheidet. So können sich die Trajektorien der Reparaturpfade beispielsweise durch ihre Richtung, Länge oder Form von den Trajektorien gemäß der anfänglichen Pfadplanung unterscheiden. Auf diese Weise kann die Defektstelle besonders effektiv repariert werden.
Die Parameter der Energiequelle bei der Energieeinbringung gemäß des neuen Reparaturpfades können sich von den entsprechenden Parametern der Energiequelle bei der Energieeinbringung gemäß der anfänglichen Pfadplanung für die Bauteilschicht an der Defektstelle unterscheiden. Dies betrifft beispielsweise eine Leistung und/oder eine Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Fokuslage der Energiequelle und hat den Vorteil, dass die Reparatur besonders effizient und effektiv durchgeführt werden kann. Beispielsweise können die Parameter so ausgewählt werden, dass an der Defektstelle das Material tiefer umgeschmolzen wird, als es bei der Erstellung dieser Bauteilschicht umgeschmolzen war.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass eine durch Anwenden des oder jedes neuen Reparaturpfades der Energiequelle reparierte Bauteilschicht von dem Prozessüberwachungssystem überprüft wird, und dass beim Identifizieren mindestens einer neuen Defektstelle in der bereits reparierten Bauteilschicht mindestens ein weiterer neuer Reparaturpfad der Energiequelle zur Reparatur der neuen Defektstelle generiert wird und die Reparatur der neuen Defektstelle vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht an der Bauteilschicht durchgeführt wird. Auf diese Weise kann überprüft werden, ob eine Reparatur der Bauteilschicht erfolgreich war und gegebenenfalls eine erneute Reparatur durchgeführt werden, um die Qualität des Bauteils weiter zu verbessern. Die Anzahl der Reparaturen, die für eine Defektstelle oder eine Bauteilschicht ausgeführt werden, kann begrenzt werden, so dass beispielsweise maximal zwei Reparaturen für eine Defektstelle durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Bedingungen festgelegt werden, die eine gelungene Reparatur einer Defektstelle charakterisieren, so dass eine Entscheidung, ob eine erneute Reparatur der Bauteilschicht durchgeführt wird, anhand der Erfüllung dieser Bedingungen getroffen werden kann. Eine solche Klassifikation und/oder Entscheidung kann sowohl automatisch als auch manuell vorgenommen werden. Generell ist eine Klassifikation von Defektstellen nicht auf neue Defektstellen in einer reparierten Bauteilschicht beschränkt, sondern kann auch bei der Überprüfung der jeweiligen initialen Bauteilschicht(en) zum Einsatz kommen.
Es kann vorgesehen sein, dass das Reparaturvorbereitungssystem mindestens einen neuen Reparaturpfad der Energiequelle generiert, der in der anfänglichen Pfadplanung für die Bauteilschicht nicht enthalten ist, zwecks Reparatur der Defektstelle in der Bauteilschicht, und die Daten des mindestens einen neuen Reparaturpfades, welche mindestens die Trajektorie der Energiequelle in der Bauteilschicht beinhalten, an das Steuerungssystem der mindestens einen Energiequelle zur Reparatur der Defektstelle übermittelt. Weitere bevorzugte Einzelheiten der Erfindung sind der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Fertigung eines dreidimensionalen
Bauteils mit mehreren Bauteilschichten, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens in einer schematischen
Darstellung,
Fig. 3 ein erstes Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß Fig. 2,
Fig. 4 ein zweites Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß Fig. 2, Fig. 5 ein drittes Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle in einer
Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß Fig. 2,
Fig. 6 ein erstes Beispiel für eine Reparatur von mehreren Defektstellen in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß Fig. 2, und
Fig. 7 ein zweites Beispiel für eine Reparatur von mehreren Defektstellen in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß Fig. 2.
Die Erfindung befasst sich mit der additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils 10. Das zu fertigende Bauteil 10 besteht aus mehreren Bauteilschichten L, die von einer ersten Schicht (i = 1) bis zu einer letzten Schicht (i = n) mit Hilfe von additiven Verfahren übereinander aufgebaut werden. Die Fertigung erfolgt durch mehrfaches inkrementeiles Hinzufügen von pulver- oder drahtförmigem Bauteilausgangsmaterial, welches durch selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels mindestens einer Energiequelle 11 konsolidiert wird. Die Anzahl (n) der Schichten wird im Allgemeinen vor der Fertigung bestimmt.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens 12 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils 10 in einer schematischen Darstellung. Im Vorfeld der vorliegenden Erfindung wird für das gesamte Bauteil 10 eine anfängliche Pfadplanung 13 für jede zu erstellende Bauteilschicht L entwickelt. Dies wird auch als Pre- Processing bezeichnet und ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Bei der vorliegenden Erfindung wird die anfängliche Pfadplanung 13 für das gesamte Bauteil 10 vorgegeben und in einem ersten Schritt 14 an ein Steuerungssystem 15 übertragen. Dies ist der Übergang vom Pre-Processing zum eigentlichen Aufbauprozess. Mit dem Steuerungssystem 15 wird die mindestens eine Energiequelle 11 (Fig. 1) angesteuert, so dass Energie gemäß der anfänglichen Pfadplanung 13 in das
Bauteilausgangsmaterial eingebracht wird. Die anfängliche Pfadplanung 13 umfasst dabei im Allgemeinen eine Mehrzahl von Pfaden, die beispielsweise eine Richtung, eine Länge und/oder einen Abstand von Bestrahlungsvektoren 16 (Fig. 1) angeben.
Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, wird die Energie entlang der
Bestrahlungsvektoren 16, z.B. mittels Laserstrahlung oder Elektronenstrahlung aus der Energiequelle 11, in das Bauteilausgangsmaterial eingebracht. Man spricht auch von einem Muster (auch Hatching oder Hatching-Strategie) der anfänglichen Pfadplanung 13, das sich aus der Kombination der Bestrahlungsvektoren 16 für mindestens einen Bereich der zu fertigenden Bauteilschicht ergibt. In Fig. 1 sind beispielhaft drei Bereiche (Streifen) 17, 18, 19 der (zu erstellenden) Bauteilschicht U dargestellt, in die mit der Energiequelle 11 Energie, z.B. in Form von Strahlung, entlang der Bestrahlungsvektoren 16 eingebracht wird. Es werden im Allgemeinen die direkt nebeneinander liegenden Bestrahlungsvektoren 16 nacheinander in einer bestimmten Richtung abgearbeitet. Die Reihenfolge der Abarbeitung der Bestrahlungsvektoren 16 kann in dem Steuerungssystem 15 in geeigneter Weise festgelegt werden. Wenn Energie mit mehr als einer Energiequelle 11 in die Bauteilschicht eingebracht wird, können beispielsweise auch zwei oder mehrere der Bereiche 17, 18, 19 der Bauteilschicht U gleichzeitig bestrahlt und somit konsolidiert werden.
Eine anfängliche Pfadplanung 20 für die aktuell zu erstellende Bauteilschicht U ist von dem Steuerungssystem 15 abrufbar, so dass in einem nächsten Schritt 21 des Verfahrens das Bauteilausgangsmaterial zur Erstellung dieser Bauteilschicht U konsolidiert wird.
Die Fertigung des Bauteils 10 wird in einem Prozessüberwachungssystem 22 überwacht. Folglich wird in einem weiteren Schritt 23 auch das Erstellen, d.h. das Konsolidieren, der aktuellen Bauteilschicht L mit dem Prozessüberwachungssystem 22 überwacht. Bei dem Prozessüberwachungssystem 22 kann es sich beispielsweise um eine Thermographiekamera handeln, die eine oder mehrere Aufnahmen von der Bauteilschicht L oder einem Bereich auf der Bauteilschicht L macht. Der Bereich, der von dem Prozessüberwachungssystem 22 überwacht wird, kann sich z.B. auf den bereits konsolidierten Teil der Bauteilschicht L beschränken.
Bis zu diesem Schritt entspricht das Fertigungsverfahren den im Stand der Technik bekannten Verfahren. Daten, die bei der Prozessüberwachung gesammelt werden, werden genutzt, um allgemeine Aussagen oder Informationen über die Qualität des Fertigungsverfahrens oder des fertigen Bauteils zu treffen oder zu sammeln.
Hier setzt nun das erfindungsgemäße Verfahren ein, um die Qualität des fertigen Bauteils gezielt zu verbessern. In einem nächsten Schritt 24 werden demnach Daten vom Prozessüberwachungssystem 22, die im vorhergehenden Schritt 23 gesammelt wurden, an ein Reparaturvorbereitungssystem 25 übertragen. Dies kann erfolgen, sobald Überwachungsdaten der aktuell zu fertigenden Bauteilschicht U vorliegen, also wenn diese mindestens zum Teil konsolidiert wurde. Das Reparaturvorbereitungssystem 25 ist Teil des erfindungsgemäßen Systems zur Reparatur einer Defektstelle Dj in einer Bauteilschicht U.
Die Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle Dj wird in einem nächsten Schritt 26 bestimmt. Dieser Schritt 26 kann beinhalten, dass eine Defektstelle Dj zunächst identifiziert wird. Typische Defektstellen Dj in Bauteilschichten umfassen beispielsweise Bindefehler, Poren, Risse und Einschlüsse aber auch die Imperfektionen an der Oberfläche, wie relativ große Teilchen, die aufgrund des Balling- Effektes oder der Spritzer-Bildung ausgebildet und an die Oberfläche angeheftet worden sind. Gegebenenfalls kann eine Klassifikation der Defektstelle vorgenommen werden und eine Defektstelle anhand der Klassifikation identifiziert oder verworfen werden. In diesem Schritt 26 können außerdem weitere mögliche Defektstellen Dj (mitj 1) sowie eine Gesamtzahl der Defektstellen Dj (mit j = jmax) in dem konsolidierten Teil der Bauteilschicht L identifiziert und lokalisiert werden.
In einer Abfrage 27 kann durch das Reparaturvorbereitungssystem 25 die Gesamtzahl der Defektstellen abgefragt werden. Wenn in der gesamten Bauteilschicht L keine Defektstellen Dj identifiziert werden konnten, erfolgt in einem nächsten möglichen Schritt 28 eine Überführung zur nächsten Bauteilschicht U+i. Ein Zähler 29 der Bauteilschichten U wird erhöht und es folgt eine Abfrage 30, beispielsweise durch das Steuerungssystem 15, ob bereits die letzte Bauteilschicht U mit i = n erstellt wurde. Ist dies der Fall, wird in einem folgenden Schritt 31 der Fertigungsprozess beendet, so dass das Bauteil 10 fertiggestellt ist.
Falls noch (mindestens) eine weitere Bauteilschicht L+i auf der Bauteilschicht U erstellt wird, folgt nach Erhöhung des Zählers 29 die Konsolidierung der neuen Bauteilschicht ü gemäß Schritt 21 sowie die vorhergehend beschriebenen Schritte 23, 24, 26 bis zu einer Abfrage 27 der Defektstellen für die neue Bauteilschicht U.
Ist allerdings mindestens eine Defektstelle Dj in der Bauteilschicht U vorhanden, wird zunächst ein Zähler 32 für eine Anzahl der Reparaturen der mindestens einen Defektstelle Dj initiiert, d.h. auf Null gesetzt. In einem nächsten Schritt 33 wird bei diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens von dem Reparaturvorbereitungssystem ein Reparaturbereich Rj (Fig. 3) innerhalb der Bauteilschicht U bestimmt, der die Defektstelle Dj umfasst.
Außerdem wird mindestens ein neuer Reparaturpfad 34 (Fig. 3) der Energiequelle 11 innerhalb einer Kontur 35 (Fig. 3) des Reparaturbereichs Dj generiert. Da in der anfänglichen Pfadplanung 13 eine Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht ü nicht vorgesehen war, ist der mindestens eine neue Reparaturpfad 34 darin nicht vorgesehen. Es handelt sich also um einen neu generierten Pfad, der speziell auf die Energieeinbringung in den Reparaturbereich Rj ausgerichtet ist. Je nach Größe des Reparaturbereichs Rj können auch mehrere neue Reparaturpfade 34 generiert werden, so dass der Reparaturbereich Rj möglichst komplett mit neuen Reparaturpfaden 34 ausgelegt ist, um eine effektive Reparatur durch Umschmelzen des gesamten Reparaturbereichs Rj zu erzielen. In Schritt 33 wird von dem Reparaturvorbereitungssystem 25 ein Vorwärmbereich Vj innerhalb der Bauteilschicht L bestimmt, der die Defektstelle Dj umfasst. Für diesen Vorwärmbereich Vj wird z.B. im Reparaturvorbereitungssystem 25 mindestens ein neuer Vorwärmpfad 47 für die mindestens eine Energiequelle 11 innerhalb einer Kontur 48 des Vorwärmbereichs Vj generiert. Der mindestens eine Vorwärmpfad 47 kann im Wesentlichen wie der Reparaturpfad 34 generiert werden. Das Vorwärmen wird weiter unten mit Bezug auf Fig. 4 genauer beschrieben.
In einem nächsten Schritt 36 werden dann der bzw. jeder neu generierte Reparaturpfad 34 und der bzw. jeder neu generierte Vorwärmpfad 47 für eine Defektstelle Dj an das Steuerungssystem 15 übertragen. Das Steuerungssystem 15 steuert dann die mindestens eine Energiequelle 11 an, um in einem folgenden Schritt 37 entlang des mindestens einen Vorwärmpfads 47 Energie in den Vorwärmbereich Vj einzubringen, um diesen auf einen Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und einer Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials vorzuwärmen. Zeitgleich oder versetzt steuert das Steuerungssystem 15 die mindestens eine Energiequelle 11 an, so dass im Schritt 37 gemäß dem bzw. jedem neuen Reparaturpfad 34 Energie in den Reparaturbereich Rj eingebracht wird. Das damit bewirkte Umschmelzen des Reparaturbereichs Rj wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Reparatur bezeichnet.
Die Reparatur der Defektstelle bzw. des Reparaturbereichs in der aktuellen Bauteilschicht U erfolgt während oder unmittelbar nach deren Fertigstellung, vor allem aber vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht U+i. Dies geht auch aus dem weiteren Verfahrensablauf gemäß Fig. 2 hervor.
Gemäß einem weiteren Schritt 38 ist vorgesehen, dass das Prozessüberwachungssystem 22 auch die (erneute) Konsolidierung des Reparaturbereichs Rj überwacht. Die dabei erfassten Daten werden in einem folgenden Schritt 39 an das Reparaturvorbereitungssystem 25 übertragen, in dem in einem nächsten Schritt 40 die Defektstelle Dj überprüft wird. Wird die folgende Abfrage 41, ob die Defektstelle Dj behoben wurde, bejaht, wird ein Zähler 42 der Defektstellen Dj erhöht. Ergibt eine weitere Abfrage 43, dass keine weiteren Defektstellen Dj mehr in der Bauteilschicht U vorhanden sind, erfolgt als nächster Schritt 44 eine Überführung zur nächsten Bauteilschicht U+1 und das Verfahren wird mit der Abfrage 30 fortgesetzt. Für den Fall, dass die Defektstelle Dj nicht behoben wurde, wird zunächst der Zähler 32 für die Anzahl der Reparaturen erhöht. Ergibt eine folgende Abfrage 45, dass eine maximale Anzahl der Reparaturen bereits erreicht ist, wird das Verfahren mit der Erhöhung des Zählers 42 für die Defektstellen Dj fortgesetzt. Andernfalls wird das Verfahren mit Schritt 33 fortgesetzt, wodurch erneut mindestens ein neuer
Reparaturpfad 34 für den Reparaturbereich Rj generiert wird. Die maximale Anzahl der Reparaturen kann vorgegeben sein oder in geeigneter Weise ausgewählt werden. Dabei können unter anderem Fertigungsbedingungen wie beispielsweise eine Gesamtgröße des Bauteils oder der Bauteilschicht und/oder eine Anzahl und/oder Leistung der Energiequelle(n) berücksichtigt werden. Die erneute Reparatur und die damit verbundenen Berechnungsschritte und Abfragen können in alternativen
Ausführungsformen des Verfahrens auch weggelassen werden. Ergibt die Abfrage 43, dass noch nicht alle Defektstellen Dj repariert wurden, wird das Verfahren mit Schritt 33 fortgesetzt. Demnach wird mindestens ein neuer
Reparaturpfad 34 für die Defektstelle Dj mit j = j+1 generiert und nachfolgend eine Reparatur der weiteren Defektstelle Dj gemäß dem vorliegenden Verfahren durchgeführt. Auf diese Weise wird jede Defektstelle Dj einer Bauteilschicht L einer Reparatur unterzogen.
In Fig. 3 ist ein erstes Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle Dj in einer Bauteilschicht L (Fig. 1) mit dem im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Verfahren dargestellt. Das in Fig. 3 gezeigte Beispiel bezieht sich nur auf das Umschmelzen im Reparaturbereich Rj. Erfindungsgemäß wird der Reparaturbereich Rj vor dem Umschmelzen vorgewärmt, wie es beispielsweise mit Bezug auf die Figuren 4, 5 und 7 ausführlich beschrieben wird. In Abbildung a) wird die in der Bauteilschicht U identifizierte Defektstelle Dj gezeigt. Diese weist üblicherweise eine unregelmäßige Kontur auf.
Abbildung b) von Fig. 3 zeigt den Reparaturbereich Rj, der die Defektstelle Dj vollständig umfasst. Der Reparaturbereich Rj wird bevorzugt lokal um die Defektstelle Dj ausgelegt und seine Fläche ist vorzugsweise kleiner als die Fläche, die durch eine geschlossene Kontur 46 (Fig. 1) der Bauteilschicht U, die die Defektstelle Dj umfasst, begrenzt wird. Das heißt, die Kontur 35 des Reparaturbereichs Rj verläuft innerhalb der geschlossenen Kontur 46 der Bauteilschicht U. In alternativen Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Reparaturbereich Rj mit der geschlossenen Kontur 46 der Bauteilschicht L, in der sich die Defektstelle Dj befindet, identisch ist. Für den Fall, dass eine Bauteilschicht L aus mehreren geschlossenen Konturen besteht, kann alternativ vorgesehen sein, dass der Reparaturbereich Rj aus allen geschlossenen Konturen der Bauteilschicht L besteht.
Für den Reparaturbereich Rj wurden die in Abbildung c) von Fig. 3 gezeigten, mehreren neuen Reparaturpfade 34 generiert, entlang denen nun mittels der Energiequelle 11 Energie, beispielsweise in Form von Laser- oder Elektronenstrahlung, in den Reparaturbereich Rj eingebracht wird. Das Bauteilmaterial wird dadurch in diesem Bereich umgeschmolzen, also aufgeschmolzen und konsolidiert. Die Defektstelle Dj wird auf diese Weise repariert, so dass der Reparaturbereich Rj nach erfolgreicher Reparatur keine Defektstelle Dj mehr aufweisen, vgl. Abbildung d) von Fig. 3.
Die für den Reparaturbereich Rj generierten neuen Reparaturpfade 34 können bevorzugt ein anderes Muster aufweisen, als die Pfade, die in der anfänglichen Pfadplanung Bauteilschicht L für den Reparaturbereich Rj oder die Defektstelle Dj vorgesehen waren, vgl. auch Fig. 1. Eine Abweichung des Musters kann sich beispielsweise in Abweichungen einer Richtung, Länge und/oder eines Verlaufs der Reparaturpfade zeigen oder in einer Reihenfolge der Abarbeitung einzelner Reparaturpfade.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ auch ein oder mehrere Parameter der Energiequellen, wie z.B. eine Leistung und/oder eine Vorschubgeschwindigkeit, bei der Energieeinbringung gemäß des bzw. der neuen Reparaturpfades von entsprechenden Parametern gemäß der anfänglichen Pfadplanung im Reparaturbereich Rj oder an der Defektstelle Dj abweichen.
In einigen bevorzugten Ausführungsformen werden sowohl für die Erstellung der Bauteilschicht als auch für deren Reparatur bzw. die Reparatur der Defektstellen dieselbe(n) Energiequelle(n) eingesetzt. Es können im Zusammenhang mit der Reparatur von Defektstellen Dj optional aber auch ein oder mehrere zusätzliche Energiequellen zum Einsatz kommen, die wahlweise für die Reparatur oder die Fertigstellung der Bauteilschicht U angesteuert werden. Im zuletzt genannten Fall können reparaturbedingte zeitliche Verzögerungen bei der Fertigung des Bauteils besonders gering gehalten werden.
In Fig. 4 ist ein zweites Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle Dj in einer Bauteilschicht L mit dem Verfahren gemäß Fig. 2 dargestellt. In Abbildung a) wird die in der Bauteilschicht L identifizierte Defektstelle Dj gezeigt. Diese weist üblicherweise eine unregelmäßige Kontur auf. Von dem Reparaturvorbereitungssystem 25 wurden ein Vorwärmbereich Vj und ein Reparaturbereich Rj bestimmt, die die Defektstelle Dj umfassen. Der Reparaturbereich Rj kann wie mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben ausgelegt werden. Der Vorwärmbereich Vj umfasst auch den Reparaturbereich Rj. In dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Reparaturbereich Rj kleiner als der Vorwärmbereich Vj. In alternativen, hier nicht gezeigten Ausführungsvarianten kann die Fläche des Vorwärmbereichs Vj auf der Bauteilschicht L auch mit der Fläche des Reparaturbereichs Rj identisch sein.
Entlang der für den Vorwärmbereich Vj generierten neuen Vorwärmpfade 47 wird gemäß Abbildung b) und Abbildung c) von Fig. 4 mittels der Energiequelle 11 Energie, beispielsweise in Form von Laser- oder Elektronenstrahlung, in den Vorwärmbereich Vj eingebracht. Das Bauteilmaterial wird dadurch in diesem Bereich auf eine Temperatur gebracht, die zwischen Raumtemperatur und einer Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials liegt. Zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs Vj kann eine Konturbelichtung verwendet werden, wie in Abbildung b) gezeigt. Dabei wird die Energie aus der Energiequelle 11 entlang von Konturen, die parallel zu der Kontur 48 des Vorwärmbereichs Vj und der Kontur 35 des Reparaturbereichs Rj, sowie entlang dieser Konturen 35, 48 selbst eingebracht.
Alternativ kann zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs eine bidirektionale Belichtung innerhalb der Kontur 48 des Vorwärmbereichs Vj verwendet werden, wie in Abbildung c) von Fig. 4 gezeigt.
Wenn eine gewünschte Temperatur oder ein gewünschter Temperaturbereich des Vorwärmbereichs Vj erreicht ist, erfolgt die Umschmelzung des Reparaturbereichs Rj. Dazu wird entlang der neuen Reparaturpfade 34 Energie aus der Energiequelle 11 in den Reparaturbereich Rj eingebracht, wie auch schon mit Bezug auf Fig. 3, Abbildung c) beschrieben, vgl. Abbildung d).
In den Abbildungen b), c) und d) von Fig. 4 ist die Defektstelle Dj nicht eingezeichnet, damit die Vorwärmpfade 47 und Reparaturpfade 34 besser erkennbar sind.
Nachdem die Defektstelle Dj durch das Umschmelzen gemäß Abbildung d) beseitigt wurde, kann optional ein Nachwärmen des Vorwärmbereichs Vj erfolgen. Dies ist in den Abbildungen e) und f) von Fig. 4 dargestellt. Dazu wird der Vorwärmbereich Vj, alternativ auch nur der Reparaturbereich Rj, nach dem Umschmelzen des Reparaturbereichs Rj für eine vorgegebene Zeitspanne im Temperaturbereich zwischen der Raumtemperatur und der Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials gehalten. Hierzu wird in den Vorwärmbereich Vj, oder alternativ auch nur in den Reparaturbereich Rj, eine sogenannte Nachwärmeenergie mittels der Energiequelle 11 eingebracht. Die Energie kann dabei wie beim Vorwärmen mittels Konturbelichtung (Abbildung e) oder bidirektionaler Belichtung (Abbildung f) eingebracht werden. Hierfür können die zuvor bestimmten Vorwärmpfade 47 verwendet werden.
Fig. 5 zeigt ein drittes Beispiel für eine Reparatur einer Defektstelle Dj in einer Bauteilschicht U mit dem Verfahren gemäß Fig. 2. Zunächst wird wie gemäß Fig. 4, Abbildungen a) bis c), ein Vorwärmbereich Vj und Reparaturbereich Rj bestimmt und der Vorwärmbereichs Vj mit mindestens einer Energiequelle 11 vorgewärmt. Im in Fig. 5 gezeigten Beispiel erfolgt das Vorwärmen mittels einer Konturbelichtung. Nachdem der Vorwärmbereich Vj und der Reparaturbereich Rj auf einen gewünschten Temperaturbereich gebracht worden sind, kommt gemäß Abbildung c) von Fig. 5 mindestens eine weitere Energiequelle 11 zum Einsatz, um den Reparaturbereich Rj umzuschmelzen, in dem sich die in Abbildung b) und c) nicht dargestellte Defektstelle Dj befindet. Währenddessen hält die andere oder halten die anderen Energiequelle(n) 11 den Vorwärmbereich Vj auf dem gewünschten Temperaturbereich, beispielsweise wie hier gezeigt durch eine bidirektionale Belichtung.
Danach folgt das optionale Nachwärmen des Vorwärmbereichs Vj, vgl. Abbildung d) von Fig. 5, das bereits mit Bezug auf Abbildung e) von Fig. 4 beschrieben wurde. Statt der in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten Konturbelichtung kann das Nachwärmen auch durch bidirektionale Belichtung erfolgen, wie in Fig. 4, Abbildung f).
In Abbildung e) von Fig. 5 wird beispielhaft eine Energie 49 der einen Energiequelle, mit der Energie zum Vorwärmen und Nachwärmen in den Vorwärmbereich Vj eingebracht wird, und eine Energie 50 der mindestens einen anderen Energiequelle, mit der Energie in den Reparaturbereich Rj eingebracht wird, im zeitlichen Verlauf dargestellt. Demnach ist die Energie 49 zum Vorwärmen und Nachwärmen geringer als die Energie 50 zum Umschmelzen. Diese geringere Energie 49 wird aber über einen längeren Zeitraum in die Bauteilschicht U bzw. den Vorwärmbereich Vj eingebracht, als die Energie 50 zum Umschmelzen in den Reparaturbereich Rj wird.
Durch den Einsatz von mehreren Energiequellen 11 kann die Temperatur im Vorwärm bereich Vj besser kontrolliert werden, so dass bei der Reparatur ein besseres Endergebnis erzielt werden kann.
Fig. 6 zeigt ein erstes Beispiel für eine Reparatur von mehreren Defektstellen Dj, in einer Bauteilschicht mit dem Verfahren gemäß Fig. 1. In diesem Beispiel wird nur das Umschmelzen beschrieben. Im gezeigten Beispiel befinden sich fünf Defektstellen Dj mit j = 1, ... , 5 in einem relativ geringen Abstand zueinander bzw. zu jeweils mindestens einer benachbarten Defektstelle Dj auf der Bauteilschicht U (Fig. 1). Unterschreitet der Abstand wie im vorliegenden Fall einen vorgegebenen Abstand, kann es vorteilhaft sein, einen Reparaturbereich Rj zu bestimmen, der alle Defektstellen Dj mit j = 1, ... , 5 umfasst. Anschließend wird der Reparaturbereich zur Reparatur der Defektstellen Dj durch Einbringung von Energie in den Reparaturbereich gemäß der vorliegenden Erfindung umgeschmolzen. Die Anzahl der Defektstellen Dj, für die ein solcher, übergreifender Reparaturbereich Rj bestimmt werden kann, kann vorgegeben oder begrenzt sein.
In Fig. 7 ist ein zweites Beispiel für eine Reparatur von mehreren Defektstellen Dj in einer Bauteilschicht U mit dem Verfahren gemäß Fig. 2 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel erweitert den in Fig. 6 gezeigten Reparaturbereich Rj, der mehrere Defektstellen Dj aufweist, um einen Vorwärmbereich Vj. Der Vorwärmbereich Vj umfasst den Reparaturbereich Rj und kann wie mit Bezug auf die Figuren 4 und 5 beschrieben mit Energie zum Vorwärmen und optional auch zum Nachwärmen beaufschlagt werden. Die Belichtung zum Vorwärmen und optional Nachwärmen kann wie hier gezeigt bidirektional sein. In hier nicht gezeigten Ausführungsvarianten kann alternativ auch eine Konturbelichtung eingesetzt werden. Bevorzugt kommen wie hier gezeigt mehrere Energiequellen 11 zum Vorwärmen und Umschmelzen, sowie optional auch zum Nachwärmen zum Einsatz. Alternativ kann auch nur eine Energiequelle 11 eingesetzt werden, die dann sowohl Energie zum Vorwärmen in den Vorwärmbereich Vj, als auch (eine höhere) Energie zum Umschmelzen in den Reparaturbereich Rj einbringt. Optional können der Vorwärmbereich Vj oder der Reparaturbereich Rj auch mit einer einzelnen Energiequelle 11 nachgewärmt werden.
Bezugszeichenliste
10 Bauteil 42 Zähler
11 Energiequelle 43 Abfrage
12 Verfahren 44 Schritt
13 anfängliche Pfadplanung 45 Abfrage
14 Schritt 46 Kontur
15 Steuerungssystem 47 Vorwärmpfad
16 Bestrahlungsvektor 48 Kontur
17 Bereich 49 Energie
18 Bereich 50 Energie
19 Bereich Dj Defektstelle
20 Pfadplanung U Bauteilschicht
21 Schritt ü+1 Bauteilschicht
22 Prozessüberwachungssystem Rj Reparaturbereich
23 Schritt Vj Vorwärmbereich
24 Schritt
25 Reparaturvorbereitungssystem
26 Schritt
27 Abfrage
28 Schritt
29 Zähler
30 Abfrage
31 Schritt
32 Zähler
33 Schritt
34 neuer Reparaturpfad
35 Kontur
36 Schritt
37 Schritt
38 Schritt
39 Schritt
40 Schritt
41 Abfrage

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils (10) aus mehreren Bauteilschichten (L), das durch mehrfaches inkrementeiles Hinzufügen von pulver- oder drahtförmigem Bauteilausgangsmaterial und formgebendes Konsolidieren des Bauteilausgangsmaterials durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels mindestens einer Energiequelle (11), wobei die Einbringung der Energie gemäß einer, vor dem Beginn der Fertigstellung einer Bauteilschicht (U) definierten anfänglichen Pfadplanung (13) der oder jeder Energiequelle (11) für diese Bauteilschicht (L) erfolgt und das Erstellen der Bauteilschicht (L) in einem Prozessüberwachungssystem (22) überwacht wird und die Bauteilschicht (U) mindestens zum Teil konsolidiert wird dadurch gekennzeichnet, dass mit Nutzung von Daten aus dem Prozessüberwachungssystem (22) über den konsolidierten Teil der Bauteilschicht (L), eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle (Dj) in der Bauteilschicht (L) bestimmt wird und ein Vorwärmbereich (Vj) innerhalb der Bauteilschicht (L), der die Defektstelle (Dj) umfasst, bestimmt wird und ein Reparaturbereich (Rj) innerhalb der Bauteilschicht (L), der die Defektstelle (Dj) umfasst, bestimmt wird und der Vorwärmbereich (Vj) mittels einer Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (Vj) auf eine Vorwärmtemperatur, die im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und einer Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials liegt, vorgewärmt wird und der Reparaturbereich (Rj) während oder nach der Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (Vj) zwecks Reparatur der Defektstelle (Dj) mittels einer Energieeinbringung in den Reparaturbereich (Rj) umgeschmolzen wird, und die Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (Vj) und den Reparaturbereich (Rj) während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (L) und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht (L+i) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reparaturbereich (Rj) lokal um die Defektstelle (Dj) ausgelegt wird und seine Fläche kleiner ist als die Fläche, die durch eine geschlossene Kontur (46) der Bauteilschicht (U) begrenzt wird, in welcher sich die Defektstelle (Dj) befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmbereich (Vj) den Reparaturbereich (Rj) umfasst oder mit dem Reparaturbereich (Rj) identisch ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der anderen vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmbereich (Vj) mit einer Energiequelle (11) vorgewärmt wird und der Reparaturbereich (Rj) mit derselben Energiequelle (11) umgeschmolzen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmbereich (Vj) mit einer Energiequelle (11) vorgewärmt wird und der Reparaturbereich (Rj) mit einer anderen Energiequelle (11) oder mit mehreren anderen Energiequellen (11) umgeschmolzen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der weiteren vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs (Vj) eine Konturbelichtung des Vorwärmbereichs (Vj) oder eine bidirektionale Belichtung innerhalb der Kontur des Vorwärmbereichs (Vj) verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der weiteren vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieeinbringung in den Vorwärmbereich (Vj) vor und während des Umschmelzens des Reparaturbereichs (Rj) erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der weiteren vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmbereich (Vj) oder der Reparaturbereich (Rj) nach dem Umschmelzen des Reparaturbereichs (Rj) für eine vorgegebene Zeitspanne im Temperaturbereich zwischen der Raumtemperatur und der Schmelztemperatur des Bauteilausgangsmaterials gehalten wird, indem in den Vorwärmbereich (Vj) oder den Reparaturbereich (Rj) eine Nachwärmeenergie mittels einer oder mehreren Energiequellen (11) eingebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der weiteren vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn mindestens zwei Defektstellen (Dj) in einem vorgegebenen Abstand voneinander in der Bauteilschicht (L) auftreten, der Vorwärmbereich (Vj) und der Reparaturbereich (Rj) derart bestimmt werden, dass sie die mindestens zwei Defektstellen (Dj) umfassen.
10. System zur Reparatur einer Defektstelle in einer Bauteilschicht eines dreidimensionalen Bauteils aus mehreren Bauteilschichten (L), das durch mehrfaches inkrementeiles Hinzufügen von pulver- oder drahtförmigem Bauteilausgangsmaterial und formgebendes Konsolidieren des Bauteilausgangsmaterials durch jeweils selektives Schmelzen und/oder Sintern mittels mindestens einer Energiequelle (11) erstellt wird, wobei die oder jede Energiequelle (11) durch ein Steuerungssystem (15) gemäß einer, vor dem Beginn der Fertigstellung einer Bauteilschicht (L) definierten anfänglichen Pfadplanung (13) der oder jeder Energiequelle (11) für diese Bauteilschicht (L) angesteuert wird, und wobei die Konsolidierung der Bauteilschicht (U) in einem Prozessüberwachungssystem (22) überwacht wird, gekennzeichnet durch ein Reparaturvorbereitungssystem (25), welches der Bauteilschicht (L) zugeordnete Daten aus dem Prozessüberwachungssystem (22) während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (L) empfängt, mit Nutzung der Daten aus dem Prozessüberwachungssystem (22) eine Lage und Ausbreitung von mindestens einer Defektstelle (Dj) in der Bauteilschicht (L) bestimmt und einen Vorwärmbereich (Vj) innerhalb der Bauteilschicht (L), der die Defektstelle (Dj) umfasst, und einen Reparaturbereich (Rj) innerhalb der Bauteilschicht (L), der die Defektstelle (Dj) umfasst, auslegt und mindestens einen neuen Vorwärmpfad (47) für mindestens eine Energiequelle (11) innerhalb einer Kontur (48) des Vorwärmbereichs (Vj) zwecks Vorwärmens des Vorwärmbereichs (Vj) und mindestens einen neuen Reparaturpfad (34) für mindestens eine Energiequelle (11) innerhalb einer Kontur (35) des Reparaturbereichs (Rj) zwecks Reparatur der Defektstelle (Dj) in der Bauteilschicht (U) generiert und die Daten des mindestens einen neuen Vorwärmpfades (47) zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs (Vj) und die Daten des mindestens einen neuen Reparaturpfades (34) zum Umschmelzen des Reparaturbereichs (Rj) an das Steuerungssystem (15) übermittelt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem (15) die Daten des mindestens einen neuen Vorwärmpfades (47) zum Vorwärmen des Vorwärmbereichs (Vj) und die Daten des mindestens einen neuen Reparaturpfades (34) zum Umschmelzen des Reparaturbereichs (Rj) während oder nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (U) aus dem Reparaturvorbereitungssystem (25) empfängt und dass das Steuerungssystem (15) derart ausgelegt ist, dass das Vorwärmen des Vorwärmbereichs (Vj) und Umschmelzen des Reparaturbereichs (Rj) während oder unmittelbar nach der Fertigstellung der Bauteilschicht (U) und vor dem Beginn der Erstellung der nächsten Bauteilschicht (U+i) auf die Bauteilschicht (U) angewendet wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturvorbereitungssystem (25) den Reparaturbereich (Rj) lokal um die Defektstelle (Dj) auslegt und die Fläche des Reparaturbereichs (Rj) kleiner ist als die Fläche, die durch eine geschlossene Kontur (46) der Bauteilschicht (U) begrenzt wird, in welcher sich die Defektstelle (Dj) befindet.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Reparaturvorbereitungssystem (25) den Vorwärmbereich (Vj) so auslegt, dass der Vorwärmbereich (Vj) den Reparaturbereich (Rj) umfasst oder mit dem Reparaturbereich (Rj) identisch ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Energiequelle (11) so ansteuerbar ist, dass die Energie dieser Energiequelle (11) wechselnd in den Vorwärmbereich (Vj) und in den Reparaturbereich (Rj) eingebracht wird, um dadurch das Vorwärmen des Vorwärmbereichs (Vj) und das Umschmelzen des Reparaturbereichs (Rj) in einem gleichen Zeitintervall zu gestalten.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Energiequellen (11) so ansteuerbar sind, dass die Energie einer Energiequelle (11) ausschließlich in die Vorwärmbereiche (Vj) und die Energie der mindestens einen anderen Energiequelle (11) ausschließlich in die Reparaturbereiche (Rj) eingebracht wird.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenn mindestens zwei Defektstellen (Dj) in einem vorgegebenen Abstand voneinander in der Bauteilschicht (L) bestimmt werden, das Reparaturvorbereitungssystem (25) den Vorwärmbereich (Vj) und den Reparaturbereich (Rj) derart auslegt, dass der Vorwärmbereich (Vj) und der Reparaturbereich (Rj) die mindestens zwei Defekte (Dj) umfassen.
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