DE102014117519A1

DE102014117519A1 - Verfahren zur Herstellung und Überprüfung von Werkstücken und Werkstück

Info

Publication number: DE102014117519A1
Application number: DE102014117519.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Härtling; Christiane Schuster
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2034-11-29
Also published as: DE102014117519B4

Abstract

Das Verfahren dient zur Herstellung und Überprüfung von Werkstücken (1) und umfasst die Schritte: – Erzeugen eines Grundkörpers (11) des Werkstücks (1), sodass der Grundkörper (11) aus mehreren Schichten (12) aufgebaut wird und eine nachfolgende Schicht direkt auf einer vorhergehenden Schicht verbindungsmittelfrei durch ein Erhitzen eines pulverförmigen Grundmaterials (13) für den Grundkörper (12) gebildet wird, – Anbringen zumindest eines Leuchtstoffs (14) des Werkstücks (1) ausschließlich an einer äußeren Umrisslinie (15) von zumindest einer der Schichten (12) und/oder an einer Außenfläche (16), und – Anregen des Leuchtstoffs (14) zur Fotolumineszenz, wobei der Leuchtstoff (14) oder wenigstens einer der Leuchtstoffe (14) während des Erzeugens des Grundkörpers (11) in seiner spektralen und/oder zeitlichen Abstrahlcharakteristik dauerhaft verändert wird.

Description

Es wird ein Verfahren zur Herstellung und Überprüfung von Werkstücken angegeben. Darüber hinaus wird ein entsprechend hergestelltes Werkstück angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem zuverlässig Herstellungsparameter eines Werkstücks überprüfbar sind.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren und durch ein Werkstück mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt des Erzeugens eines Grundkörpers auf. Der Grundkörper ist bevorzugt ein Kernstück oder eine Basiskomponente des herzustellenden Werkstücks. Bei dem Grundkörper kann es sich um die mechanisch tragende Komponente des fertigen Werkstücks handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Grundkörper aus mehreren Schichten aufgebaut. Bei dem Aufbau aus den Schichten wird eine nachfolgende Schicht direkt auf einer vorhergehenden Schicht angebracht. Zwischen den aufeinander folgenden Schichten befindet sich bevorzugt kein Verbindungsmittel wie ein Klebstoff. Die Schichten folgen besonders bevorzugt unmittelbar und direkt aufeinander. Die Schichten können dabei eben oder auch gekrümmt geformt sein.
Es ist nicht zwingend erforderlich, dass sich die Schichten vollständig überlappen oder abdecken.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Schichten durch ein Erhitzen eines Grundmaterials aufeinander gebildet. Bei dem Grundmaterial handelt es sich um ein organisches oder, bevorzugt, um ein anorganisches Material. Weiterhin liegt das Grundmaterial beim Erzeugen der Schichten bevorzugt als pulverförmiges Rohmaterial vor. Pulverförmig kann bedeuten, dass ein mittlerer Durchmesser von Partikeln des Grundmaterials bei mindestens 100 nm oder 1 µm oder 10 µm und/oder bei höchstens 1 mm oder 100 µm oder 25 µm liegt. Der Begriff Pulver schießt Begriffe wie Stäube oder Granulate mit ein. Bei dem Erhitzen des Grundmaterials schmilzt dieses teilweise oder vollständig. Eine feste Verbindung zwischen Partikeln des Grundmaterials in den Schichten erfolgt dann durch das Grundmaterial selbst. Mit anderen Worten verschmelzen die Partikel des Grundmaterials schichtweise zu dem Grundkörper.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird ein Leuchtstoff des Werkstücks an einer äußeren Umrisslinie von einer oder von mehreren der Schichten angebracht. Bevorzugt wird der Leuchtstoff ausschließlich an der äußeren Umrisslinie und/oder an einer Außenfläche des Grundkörpers angebracht. Eine Außenfläche bezeichnet dabei insbesondere eine Begrenzungsfläche des Grundkörpers, die auf direktem, geraden Weg oder auch auf einem gekrümmten Weg von außerhalb des Grundkörpers aus zugänglich ist, ohne das Material des Grundkörpers zu durchlaufen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Leuchtstoff zumindest während der Herstellung des Werkstücks zeitweise oder dauerhaft zur Fotolumineszenz angeregt. Das Anregen des Leuchtstoffs kann dabei während des Erzeugens des Grundkörpers und alternativ oder zusätzlich nach dem Erzeugen des Grundkörpers sowie nach dem Erzeugen des Werkstücks erfolgen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Leuchtstoff in seiner spektralen und/oder zeitlichen Abstrahlcharakteristik während des Erzeugens des Grundkörpers und/oder des Werkstücks verändert, bevorzugt dauerhaft verändert. Insbesondere ändert sich ein Emissionsspektrum des Leuchtstoffs und/oder eine Abklingzeit der Fotolumineszenz des Leuchtstoffs durch die Temperaturbehandlung beim Erhitzen des Grundmaterials.
In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Herstellung und Überprüfung von Werkstücken eingerichtet und umfasst die folgenden Schritte, insbesondere in der angegebenen Reihenfolge:

– Erzeugen eines Grundkörpers des Werkstücks, sodass der Grundkörper aus mehreren Schichten aufgebaut wird und eine nachfolgende Schicht direkt auf eine vorhergehende Schicht verbindungsmittelfrei durch ein Erhitzen eines organischen oder anorganischen, pulverförmigen Grundmaterials für den Grundkörper gebildet wird,
– Anbringen zumindest eines Leuchtstoffs des Werkstücks insbesondere ausschließlich an einer äußeren Umrisslinie von zumindest einer der Schichten und/oder an einer Außenfläche des Grundkörpers, und
– Anregen des Leuchtstoffs zur Fotolumineszenz, wobei der Leuchtstoff oder wenigstens einer der Leuchtstoffe während des Erzeugens des Grundkörpers in seiner spektralen und/oder zeitlichen Abstrahlcharakteristik dauerhaft verändert wird.

Durch den Leuchtstoff sind Verfahrensparameter bei der Herstellung des Grundkörpers während des Herstellens und auch nach der Herstellung überprüfbar. Insbesondere ist anhand der Fotolumineszenz-Abstrahlcharakteristik des Leuchtstoffs überprüfbar, ob ausreichend hohe Temperaturen ausreichend lange appliziert wurden, um ein ordnungsgemäßes Verschmelzen des pulverförmigen Grundmaterials zu dem Grundkörper zu gewährleisten. Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist es also möglich in Prozessen der additiven Fertigung, beispielsweise im Bereich Lasersintern oder Ofensintern granularer Materialien, einen Energieeintrag, insbesondere einen Wärmeeintrag, in das herzustellende Werkstück ortsaufgelöst insbesondere im dreidimensionalen Raum zu vermessen.
Alternative Möglichkeiten, Fertigungsparameter bei einer additiven Fertigung zu überprüfen bestehen darin, etwa eine Laserleistung zu überwachen oder mittels Videokameras ein Erscheinungsbild des aufgeschmolzenen Materials zu erfassen oder auch etwa über Infrarotabstrahlung eine beim Erstellen des Werkstücks vorliegende Temperatur zu messen. Bei diesen Methoden handelt es sich jedoch um indirekte Methoden, welche nicht unmittelbar von dem hergestellten Material selbst ausgehen und daher nur bedingt Rückschlüsse zulassen, ob etwa das Grundmaterial vollständig während des Erzeugens des Grundkörpers aufgeschmolzen wurde.
Werden insbesondere pulverförmige Leuchtstoffe einem Prozess ausgesetzt, bei dem eine Energie etwa durch Erwärmung und/oder Bestrahlung eingetragen wird, so kann sich eine Lumineszenzantwort des Leuchtstoffs nach optischer Anregung, insbesondere nach gepulster Anregung, in Abhängigkeit von der eingetragenen Energiemenge ändern. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Veränderung der Kristallstruktur, eines Dotierprofils oder von Oxidationsstufen des Leuchtstoffs. Dies bedeutet, dass insbesondere durch Vergleich mit einem nicht thermisch behandelten Referenzleuchtstoff ortsaufgelöst und qualitativ messbar ist, ob an einer bestimmten Stelle des Werkstücks ein ordnungsgemäßer Energieeintrag stattgefunden hat sowie wie hoch dieser Energieeintrag war. Bei dem hier beschriebenen Verfahren ist es insbesondere möglich, die Messung auf oder auch in dreidimensionalen Objekten durchzuführen und dies während oder auch nach der Herstellung und/oder Bearbeitung des Werkstücks. Mit anderen Worten ist bei dem hier beschriebenen Verfahren eine Prozesskontrolle und Qualitätssicherung in den Bereichen der additiven Fertigung, beim Lasersintern, beim Laserauftragsschweißen, beim Ofensintern oder beim sogenannten 3D-Druck ermöglicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Leuchtstoff oder werden die Leuchtstoffe während des Erzeugens der zugehörigen Schicht des Grundkörpers mit dieser Schicht des Grundkörpers und somit auch mit dem Grundkörper verbunden. Insbesondere werden die Leuchtstoffe derart mit dem Grundkörper verbunden, sodass sich die Leuchtstoffe im bestimmungsgemäßen Fertigungsverfahren und/oder im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstücks nicht von dem Grundkörper lösen. Alternativ ist es auch möglich, dass der Leuchtstoff nach, speziell unmittelbar nach dem Erzeugen der zugehörigen Schicht des Grundkörpers an dem Grundkörper angebracht wird oder dass der Leuchtstoff nach dem vollständigen Erstellen des Grundkörpers auf dem Grundkörper aufgebracht wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Grundmaterial, aus dem der Grundkörper hergestellt wird, um ein Metall, eine Metalllegierung, eine Keramik, einen Kunststoff oder um ein anorganisches dielektrisches Material. Es ist möglich, dass das Grundmaterial eine Mischung mehrerer Materialien darstellt. Insbesondere können unterschiedliche Arten von Partikeln, etwa aus unterschiedlichen Materialien, zu dem Grundmaterialpulver zusammengemischt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist das Grundmaterial frei von dem oder von den Leuchtstoffen. Das heißt, das Grundmaterial weist dann kein Material auf, das bestimmungsgemäß zu einer Fotolumineszenz eingerichtet ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Erhitzen des Grundmaterials zu den Schichten und/oder zu dem Grundkörper bei einer Temperatur von mindestens 500 °C oder 800 °C oder 1200 °C. Alternativ oder zusätzlich liegt diese Temperatur bei höchstens 1900 °C oder 1700 °C oder 1500 °C. Ist das Grundkörpermaterial ein Kunststoff, insbesondere ein thermoplastischer Kunststoff der aufgeschmolzen wird, so sind die Temperaturen entsprechend niedriger zu wählen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt das Erhitzen des Grundmaterials beim Erzeugen der Schichten und/oder des Grundkörpers durch eine Heizstrahlung wie eine Laserstrahlung oder wie inkohärente Strahlung. Die Heizstrahlung weist dabei beispielsweise Wellenlängen im nahinfraroten Spektralbereich auf, also beispielsweise von mindestens 750 nm oder 850 nm und/oder von höchstens 3000 nm oder 1500 nm oder 1060 nm.
Alternativ kann die Heizstrahlung auch Wellenlängen im ultravioletten Spektralbereich, im sichtbaren Spektralbereich oder im mittelinfraroten Spektralbereich, etwa bei ungefähr 10 µm, aufweisen. Anstelle über Heizstrahlung wie mit einem Laser ist es möglich, einen Wärmeeintrag oder Energieeintrag in das Grundmaterial über lokale Reibung, über Elektronenstrahlung, über Mikrowellenstrahlung oder hochfrequente Radiostrahlung zu realisieren.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Leuchtstoff zumindest zeitweise während des Erzeugens des Grundkörpers mit der Heizstrahlung, insbesondere der Laserstrahlung zur Fotolumineszenz angeregt. Mit anderen Worten ist es möglich, dass Strahlung derselben Wellenlänge und/oder derselben Strahlungsquelle sowohl für das Erhitzen des Grundmaterials als auch zur Fotolumineszenzanregung des Leuchtstoffs verwendet wird. Beispielsweise ist die Strahlung zur Anregung des Leuchtstoffs dann ein Teil der Strahlung, die zum Erhitzen des Grundmaterials dient.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Leuchtstoff nach dem vollständigen Erzeugen des Grundkörpers und/oder des Werkstücks mit einer Testlichtquelle, zum Beispiel einem Testlaser, zeitweise zur Fotolumineszenz angeregt. Das heißt, über die Fotolumineszenz des Leuchtstoffs wird der fertig hergestellte Grundkörper und/oder das fertig hergestellte Werkstück hinsichtlich der thermischen Behandlung anhand des Leuchtstoffs getestet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff oder ist zumindest einer der Leuchtstoffe oder sind alle Leuchtstoffe ausgewählt aus den folgenden Materialien: ein Oxid, (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂, ein Oxihalogenid, ein Sulfid, ein Oxisulfid, ein Sulfat, ein Oxisulfat, ein Selenid, ein Nitrid, ein Oxinitrid, ein Nitrat, ein Oxinitrat, ein Aluminat insbesondere mit Ba und/oder Mg wie BAM, ein Phosphid, ein Phosphat, ein Carbonat, ein Silikat, ein Oxisilikat, ein Vanadat, ein Molybdat, ein Wolframat, ein Germanat, ein Oxigermanat oder ein Halogenid der Elemente Li, Na, K, Rb, Mg, Ca, Sr, Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Zn, Gd, Lu, Al, Ga und/oder In. Der oder die Leuchtstoffe (21, 22) enthalten bevorzugt je ein oder mehrere lumineszierende Ionen aus der Gruppe In⁺, Sn²⁺, Pb²⁺, Sb³⁺, Bi³⁺, Ce³⁺, Ce⁴⁺, Pr³⁺, Nd³⁺, Sm²⁺, Sm³⁺, Eu²⁺, Eu³⁺, Gd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Tm²⁺, Tm³⁺, Yb²⁺, Yb³⁺, Ti³⁺, V²⁺, V³⁺, V⁴⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Mn³⁺, Mn⁴⁺, Fe³⁺, Fe⁴⁺, Fe⁵⁺, Co³⁺, Co⁴⁺, Ni²⁺, Cu⁺, Ru²⁺, Ru³⁺, Pd²⁺, Ag⁺, Ir³⁺, Pt²⁺ und Au⁺.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Leuchtstoff mit nahinfraroter Strahlung zur Fotolumineszenz im sichtbaren Spektralbereich anregbar, mit anderen Worten handelt es sich um einen Leuchtstoff, der über sogenannte Up Conversion funktioniert. Das heißt, das Testen des Leuchtstoffs erfolgt dann durch Anregung mit nahinfraroter Strahlung. Alternativ oder zusätzlich kann der Leuchtstoff auch durch ultraviolette Strahlung oder durch sichtbares Licht zur Fotolumineszenz angeregt werden. Dabei kann eine Fotolumineszenz des Leuchtstoffs auch im ultravioletten Spektralbereich oder im nahinfraroten Spektralbereich liegen. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Leuchtstoff ausschließlich mit nahinfraroter Strahlung zur Fotolumineszenz im sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich anregbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Leuchtstoff etwa im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Grundkörpers und/oder des Werkstücks keine oder nur eine sehr geringe Fotolumineszenz aufzeigt. Das heißt, der Leuchtstoff ist im bestimmungsgemäßen Gebrauch des fertigen Grundkörpers und/oder des fertigen Werkstücks nicht zwangsläufig mit bloßem Auge und/oder ohne spezielle Fotolumineszenzanregung erkennbar.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Leuchtstoff an strukturellen Schwachstellen des Werkstücks angebracht. Bei strukturellen Schwachstellen handelt es sich beispielsweise um Bereiche einer relativ geringen Materialdicke oder um Bereiche, die im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstücks besonders großen Belastungen ausgesetzt sind. Es ist möglich, dass der Leuchtstoff ausschließlich an solchen strukturellen Schwachstellen aufgebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Leuchtstoff an einer Referenzstelle angebracht sein. Bei einer Referenzstelle kann es sich um eine im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstücks unkritische Stelle handeln. Der Leuchtstoff kann auch an oder in einer Oberflächenstrukturierung des Grundkörpers aufgebracht sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt der Leuchtstoff vor dem Anbringen an den Grundkörper in Form von Leuchtstoffpartikeln vor. Die Leuchtstoffpartikel weisen bevorzugt einen mittleren Durchmesser von mindestens 0,01 µm oder 0,1 µm oder 0,5 µm und/oder von höchstens 50 µm oder 20 µm oder 5 µm oder 2 µm auf.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird der Grundkörper nach dem Aufbauen des Grundkörpers aus den Schichten und nach dem Anbringen des Leuchtstoffs erhitzt, bevorzugt gesintert. Dieser Sinterschritt ist insbesondere ein Teilschritt des Erzeugens des Grundkörpers. Beispielsweise erfolgt dieses Sintern bei einer Temperatur von mindestens 800 °C oder 1000 °C oder 1200 °C und/oder von höchstens 1750 °C oder 1550 °C oder 1400 °C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die spektrale und/oder zeitliche Abstrahlcharakteristik des Leuchtstoffs nach dem Sintern des Grundkörpers gemessen. Hierdurch ist überprüfbar, ob das Sintern mit korrekten Verfahrensparametern durchgeführt wurde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden mehrere verschiedene Leuchtstoffe oder Leuchtstoffmischungen an dem Grundkörper angebracht. Insbesondere werden die Leuchtstoffe oder Leuchtstoffmischungen an unterschiedlichen Stellen des Grundkörpers aufgebracht. Hierbei ist es möglich, dass die Leuchtstoffe oder Leuchtstoffmischungen in Form eines eindimensionalen oder eines zweidimensionalen Codes auf den Grundkörper aufgebracht werden. Bei dem Code handelt es sich beispielsweise um einen Strichcode wie ein Barcode oder um einen 2D-Code.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform bedeckt der Leuchtstoff höchstens 25 % oder 10 % oder 2 % einer Außenfläche des fertig hergestellten Grundkörpers. Das heißt, die Außenfläche des Grundkörpers ist dann weitestgehend frei von dem Leuchtstoff. Alternativ kann der Grundkörper zu mindestens 40 % oder 60 % oder 80 % oder vollständig von dem Leuchtstoff bedeckt sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform dringt der Leuchtstoff höchstens bis in eine Tiefe von 5 µm in den Grundkörper ein oder mischt sich bis in eine Tiefe von höchstens 5 µm mit dem Grundmaterial. Bevorzugt beträgt diese Tiefe höchstens 1,5 µm. Das heißt, durch den Leuchtstoff ist dann das Grundmaterial oder der Grundkörper nicht oder im Wesentlichen nicht beeinflusst. Hierdurch sind hoch qualitative Werkstücke erzielbar, da das beispielsweise speziell auf die entsprechende Anforderung abgestimmte Grundmaterial durch den Leuchtstoff nicht oder nicht signifikant beeinflusst wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt eine mittlere Dicke des Leuchtstoffs höchstens 5 % oder 1 % oder 0,2 % einer mittleren Ausdehnung des Grundkörpers, gemessen entlang derselben Richtung wie die vorgenannte Dicke des Leuchtstoffs. Mit anderen Worten ist die Leuchtstoffschicht an dem fertig hergestellten Grundkörper vergleichsweise dünn, relativ zu dem Grundkörper selbst. Durch den Leuchtstoff wird dann keine zusätzliche Funktion neben der Bestimmung von Fertigungsparametern, wie eine mechanische Stabilisierung des Grundkörpers, erreicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird auf den Leuchtstoff an einer dem Grundkörper abgewandten Seite eine Schutzschicht aufgebracht. Durch diese Schutzschicht ist es möglich, den Leuchtstoff etwa vor chemischen oder mechanischen Einflüssen zu schützen. Weiterhin kann die Schutzschicht optisch funktionalisiert sein und beispielsweise als Wellenlängenfilterelement dienen.
Darüber hinaus wird ein Werkstück angegeben. Das Werkstück wird bevorzugt hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Werkstücks sind daher auch für das Verfahren offenbart und umgekehrt.
In mindestens einer Ausführungsform weist das Werkstück einen Grundkörper auf, der über einen 3D-Abscheideprozess hergestellt ist, insbesondere wie in Verbindung mit dem oben beschriebenen Verfahren angegeben. An Außenflächen des Grundkörpers befindet sich ganzflächig oder, bevorzugt, stellenweise zumindest ein Leuchtstoff. Der Leuchtstoff weist eine spektral und/oder zeitlich veränderte Abstrahlcharakteristik auf, im Vergleich zu einem Referenzleuchtstoff.
Bei dem Leuchtstoff an dem Grundkörper handelt es sich vor dem Herstellen des Grundkörpers um denselben Leuchtstoff mit derselben stofflichen Zusammensetzung und demselben Kristallgitter. Durch das Erzeugen des Grundkörpers ist der Leuchtstoff in seiner zeitlichen und/oder spektralen Abstrahlcharakteristik gegenüber dem Referenzleuchtstoff verändert. Referenzleuchtstoff bedeutet bevorzugt, dass der Referenzleuchtstoff nach seiner Herstellung keinen Temperaturen oberhalb von 150°C oder 250°C ausgesetzt war. Der Referenzleuchtstoff ist mit anderen Worten thermisch unbehandelt, im Gegensatz zu dem Leuchtstoff an den Außenflächen des Grundkörpers. Der Leuchtstoff an dem Grundkörper ist bevorzugt ausschließlich im Rahmen der Herstellung des Grundkörpers thermisch behandelt.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren und ein hier beschriebenes Werkstück unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1, 3, 4, 6 und 7 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Werkstücken,
2 schematische Schnittdarstellungen von Ausführungsbeispielen von hier beschriebenen Verfahren zur Herstellung von hier beschriebenen Werkstücken, und
5 eine schematische Darstellung von zeitlichen Verläufen von Abstrahlcharakteristika von Leuchtstoffen.
In 1A ist in einer schematischen Seitenansicht und in 1B in einer schematischen Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines Werkstücks 1 illustriert. Das Werkstück 1 weist einen Grundkörper 11 auf. Der Grundkörper 11 ist durch mehrere Schichten 12 zusammengesetzt. Die Schichten 12 verlaufen dabei bevorzugt jeweils in einer Ebene und sind parallel zueinander orientiert. Die einzelnen Schichten 12 können voneinander verschiedene Grundflächen aufweisen.
An einer äußeren Umrisslinie 15 der Schichten 12, in Draufsicht gesehen, und somit an einer Außenfläche 16 des Grundkörpers 11 ist stellenweise an die Schichten 12 ein Leuchtstoff 14 angebracht.
Gemäß 1 ist jede der Schichten 12 mit dem Leuchtstoff 14 versehen. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass nur ein Teil der Schichten 12 mit dem Leuchtstoff 14 versehen ist, so dass dann einige der Schichten 12 frei von einem Leuchtstoff 14 sind. Ebenso abweichend von der Darstellung in 1 kann jede der Schichten 12 an unterschiedlichen Stellen mit dem Leuchtstoff 14 versehen sein und nicht nur an einer einzigen Stelle. Weiterhin abweichend von der Darstellung gemäß 1 müssen die Bereiche mit dem Leuchtstoff 14 nicht inselförmig und unabhängig voneinander sein sondern können auch eine zusammenhängende, sich über alle Schichten 12 gemeinsam erstreckende Spur bilden.
Das Werkstück 1, wie in 1 illustriert, ist bevorzugt über eine sogenannte additive Fertigung hergestellt. Bei der additiven Fertigung wird zunächst eine dünne Schicht eines pulverförmigen Grundmaterials, beispielsweise eines Metalls, einer Legierung, einer Keramik, eines Kunststoffs oder eines Dielektrikums, auf eine Bauplattform aufgetragen. Ein intensiver Heizstrahl wie ein Laserstrahl schmilzt das Grundmaterialpulver exakt an solchen Stellen auf, die etwa durch computergenerierte Bauteilkonstruktionsdaten vorgegeben sind. Anschließend wird die Bauplattform abgesenkt und es erfolgt ein weiterer Pulverauftrag. Das Grundmaterial wird erneut aufgeschmolzen und verbindet sich an vordefinierten Stellen mit der darunter liegenden, zuvor hergestellten Schicht.
Durch den während des Fertigungsprozesses gezielt an der Außenfläche des zu fertigenden Grundkörpers aufgebrachten Leuchtstoffs 14, der optional auch als Gemisch dem Grundmaterial 13 beigegeben sein kann, wird die während des Laserstrahlens lokal applizierte Wärmeenergie in den Leuchtstoff eingeschrieben. Während oder nach beendeter Fertigung können diese Informationen als veränderte Fotolumineszenz-Abstrahlcharakteristik ortsaufgelöst aus dem Leuchtstoff 14 ausgelesen und im Vergleich zu einem Referenzwert beurteilt werden. Hierdurch ist insbesondere ermittelbar, ob ausreichend Energie eingebracht wurde, sodass die Partikel des pulverförmigen Grundmaterials tatsächlich verschmolzen sind und eine geforderte Festigkeit erreicht wird. Weiterhin ist feststellbar, ob insbesondere an dünnen oder schmalen Bauteilstegen eventuell zu viel Energie eingebracht wurde und der Werkstoff beispielsweise aufgrund einer schlechteren Wärmeableitung geschädigt wurde.
Ein solches Verfahren ist in 2 skizziert. Gemäß 2A wird über die Laserstrahlung 2 das Grundmaterial 13 für den Grundkörper 11 lokal aufgeschmolzen und mit dem Grundkörper 11 verbunden. Ein Teil der Laserstrahlung 2 kann als Testlaser 3 oder als Teststrahlung dienen, um den Leuchtstoff 14 zur Fotolumineszenz anzuregen. Die Laserstrahlung 2 und/oder eine nicht dargestellte separate Teststrahlung können dabei eine gepulste Laserstrahlung sein, beispielsweise mit Impulsdauern im Nanosekundenbereich oder im Mikrosekundenbereich oder im Millisekundenbereich. Alternativ handelt es sich bei der Laserstrahlung und/oder bei der Teststrahlung um eine kontinuierliche Laserstrahlung, auch als cw-Strahlung bezeichnet, um eine inkohärente UV-Strahlung oder Infrarotstrahlung oder um eine Elektronenstrahlung. Der Grundkörper 11 ist bevorzugt undurchlässig für die Laserstrahlung 2 und die Fotolumineszenzstrahlung 4.
Über ein Detektionsgerät 5 ist die Fotolumineszenzstrahlung 4 des Leuchtstoffs detektierbar und es ist bestimmbar, ob die Fertigung des Grundkörpers 11 ordnungsgemäß erfolgt ist.
Gemäß 2B weist der fertig hergestellte Grundkörper 11 den Leuchtstoff 14 als Streifen oder als Schicht auf. Nach dem fertigen Herstellen des Grundkörpers 11, also nach dem Laseraufschmelzen aus dem Grundmaterial 13 und optional nach einem zusätzlichen Sinterschritt, nicht gezeichnet, wird über eine Testlichtquelle 3 wie einem Laser der Leuchtstoff 14 ortsaufgelöst zur Fotolumineszenz angeregt. Die Fotolumineszenzstrahlung 4 wird über das Detektionsgerät 5 gemessen. Durch das hier beschriebene Verfahren ist das Werkstück 1 kostengünstig, insbesondere ohne Röntgenanalysetechnik, überprüfbar.
Es ist, wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, optimal möglich, dass nach dem Testen der Leuchtstoff 14 von dem Grundkörper 11 teilweise oder vollständig entfernt wird. Bevorzugt jedoch verbleibt der Leuchtstoff 14 zumindest teilweise an dem fertig hergestellten Grundkörper 11 und an dem fertigen Werkstück 1.
In den Schnittdarstellungen der 3A und 3B sind weitere Ausführungsbeispiele des Werkstücks 1 gezeigt. Gemäß 3A befindet sich der Leuchtstoff 14 an strukturellen Schwachstellen des Werkstücks 1, insbesondere an dünnen Stegen. In 3B ist zu sehen, dass der Leuchtstoff 14 an einer schwer zugänglichen Stelle innerhalb des Werkstücks 1 angebracht ist. Der Leuchtstoff 14 an solchen Stellen ist eventuell über Lichtleiter oder Endoskope zur Fotolumineszenz anregbar und messbar.
In 4 sind schematische Draufsichten auf die Außenfläche 16 des Grundkörpers 11 gezeigt. Gemäß 4A ist der Leuchtstoff 14 in mehreren Streifen auf die Außenfläche 16 aufgebracht, ähnlich einem Strichcode. Die einzelnen Streifen mit dem Leuchtstoff 14 können aus voneinander verschiedenen Leuchtstoffen oder Leuchtstoffmischungen gebildet sein.
Entsprechendes gilt für die kreisförmigen Bereiche mit dem Leuchtstoff 14, wie in 4B gezeigt.
Wie auch in allen anderen Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem zumindest einen Leuchtstoff 14 zum Beispiel um eines der folgenden Materialien oder um eine Mischung hieraus: Y₃Al₅O₁₂:Ln (Ln = Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm und/oder Yb), SrAl₂O₄:Eu,Dy, CaAl₂O₄:Eu,Nd, Sr₄Al₁₄O₂₅:Eu,Dy, Sr₂MgSi₂O₇:Eu,Dy, Sr₃MgSi₂O₈:Eu,Dy, CaMgSi₂O₆:Eu,Dy, Ba₃MgSi₂O₈:Eu,Dy, BaMg₂Al₆Si₉O₃₀:Eu,Dy, Sr₂Al₂SiO₇:Eu,Dy, BaMgAl₁₀O₇:Eu, BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu,Mn, Sr₂Al₁₀SiO₂₀:Eu,Ho, CaAl₂Si₂O₈:Eu,Dy, CaAl₂Si₂O₈:Eu,Pr, Sr₂SiO₄:Eu,Dy, Sr₂ZnSi₂O₇:Eu,Dy, CaS:Eu,Tm, CaGa₂S₄:Eu,Ho, CaGa₂S₄:Eu,Ce, NaYF₄:Ln,Ln (Ln = Er, Eu, Ho, Pr, Tm und/oder Yb), BaY₂F₈:Ln,Ln (Ln = Er, Eu, Ho, Pr, Tm und/oder Yb), LiYF₄:Ln,Ln (Ln = Er, Eu, Ho, Tm und/oder Yb), KY₃F₁₀:Ln,Ln (Ln = Er, Eu, Ho, Pr, Tm und/oder Yb), NaF:Ln (Ln = Er, Eu, Ho, Tm und/oder Yb), Sr₂P₂O₇:Eu,Y, Ln₂O₂S (Ln = Er, Eu, Ho, Pr, Tm und/oder Yb), Ca₂P₂O₇:Eu,Y, Ca₂SiS₄:Eu,Nd, Ca₂MgSi₂O₇:Eu,Tb, Yttrium-Aluminium-Monoklin (YAM), Yttrium-Aluminium-Perovskit (YAP), Y₂O₃, ZrO₂, Al₂O₃, Si₃Ni₄, ZrB₂. Ist eine Leuchtstoffmischung vorhanden, so werden bevorzugt zumindest zwei Leuchtstoffe eingesetzt, deren Fotolumineszenzlebensdauern sich um mindestens einen Faktor 5 voneinander unterscheiden. Beispielsweise liegt die Fotolumineszenzlebensdauer von dem oder von zumindest einem der Leuchtstoffe bei mindestens 100 µm oder 0,8 s oder 1,5 s und/oder bei höchstens 10 s oder 2 s oder 400 µs.
In 5 ist schematisch ein Intensitätsverlauf I in Abhängigkeit von der Zeit t gezeigt, einerseits für einen Referenzleuchtstoff 6 ohne thermische Behandlung und andererseits für einen typgleichen Leuchtstoff 14, wie bei einem hier beschriebenen Herstellungsverfahren verwendet. Durch die thermische Behandlung des Grundkörpers 11 während des Herstellens des Werkstücks 1 ist die Lumineszenzabklingzeit des Leuchtstoffs 14 gegenüber dem Referenzleuchtstoff 6 signifikant verändert. Über die Lumineszenzabklingzeit ist insbesondere ein Wärmeeintrag in den Leuchtstoff 14 und damit auch in den Grundkörper 11 im Verlauf des Herstellungsverfahrens bestimmbar. Eine entsprechende Änderung der Abstrahlcharakteristik kann sich für das Fotolumineszenzspektrum ergeben.
In 6 ist in einer schematischen Seitenansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Werkstücks 1 gezeigt. Hierbei sind komplette Schichten des Werkstücks 1 aus dem Leuchtstoff 14 gebildet. Zum Beispiel ist jede fünfte oder zehnte oder zwanzigste Schicht 12 des Grundkörpers 11 durch eine solche Leuchtstoffschicht 14 gebildet. Damit sind auch die Außenfläche 16 und die Umrisslinie 15 zumindest teilweise durch den Leuchtstoff 14 gebildet. Durch diese wenigen, einzelnen Leuchtstoffschichten 14 sind die Materialeigenschaften des Grundkörpers 11 bevorzugt nicht signifikant beeinflusst. Eine Dicke der Leuchtstoffschichten 14 liegt zum Beispiel je bei mindestens 1,5 µm oder 5 µm und/oder bei höchstens 20 µm oder 100 µm. Ein Abstand zwischen benachbarten Leuchtstoffschichten 14 beträgt zum Beispiel mindestens 0,5 mm oder 5 mm.
Alternativ zur Darstellung in 6 ist es möglich, dass die betreffenden Schichten 12 des Grundkörpers 11 aus dem Grundmaterial nur zum Teil durch den Leuchtstoff 14 ersetzt sind.
In der perspektivischen Darstellung des Werkstücks 1 in 7 ist illustriert, dass der Leuchtstoff 14 die Außenfläche 16 auch relativ großflächig bedecken kann. Abweichend von 7 kann beispielsweise auch die komplette Oberseite des Grundkörpers 11 von dem Leuchtstoff 14 bedeckt sein.
Additive Fertigungsverfahren zur Herstellung von Werkstücken mittels Laserstrahlung aus einem pulverförmigen Grundmaterial sind beispielsweise in den Druckschriften US 5,427,733 A , DE 10 2012 221 218 A1 oder US 2013/0314504 A beschrieben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften hinsichtlich des Herstellens des Grundkörpers wird durch Rückbezug mit aufgenommen.
Aus der Druckschrift WO 2009/083729 A1 ist der Einfluss einer Temperaturbehandlung auf die Abstrahlcharakteristik von Leuchtstoffen bekannt. Hinsichtlich dieser Aspekte wird der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift durch Rückbezug mit aufgenommen.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Werkstück
11: Grundkörper
12: Schicht des Grundkörpers
13: Grundmaterial des Grundkörpers
14: Leuchtstoff
15: äußere Umrisslinie der Schicht
16: Außenfläche des Grundkörpers
2: Laserstrahlung
3: Testlichtquelle
4: Fotolumineszenzstrahlung
5: Detektionsgerät
6: Referenzleuchtstoff
I: Intensität
t: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5427733 A [0059]
DE 102012221218 A1 [0059]
US 2013/0314504 A [0059]
WO 2009/083729 A1 [0060]

Claims

Verfahren zur Herstellung und Überprüfung von Werkstücken (1) mit den Schritten: – Erzeugen eines Grundkörpers (11) des Werkstücks (1), sodass der Grundkörper (11) aus mehreren Schichten (12) aufgebaut wird und eine nachfolgende Schicht direkt auf einer vorhergehenden Schicht verbindungsmittelfrei durch ein Erhitzen eines pulverförmigen Grundmaterials (13) für den Grundkörper (12) gebildet wird, – Anbringen zumindest eines Leuchtstoffs (14) des Werkstücks (1) wenigstens an einer äußeren Umrisslinie (15) und/oder an einer Außenfläche (16) von zumindest einer der Schichten (12), und – Anregen des Leuchtstoffs (14) zur Fotolumineszenz, wobei der Leuchtstoff (14) oder wenigstens einer der Leuchtstoffe (14) während des Erzeugens des Grundkörpers (11) in seiner spektralen und/oder zeitlichen Abstrahlcharakteristik dauerhaft verändert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem der Leuchtstoff (14) während des Erzeugens der zugehörigen Schicht (12) mit dieser Schicht und somit mit dem Grundkörper (11) verbunden wird, wobei das Grundmaterial (13) ein Metall oder eine Keramik ist und frei von dem Leuchtstoff (14) ist, und wobei das Erhitzen des Grundmaterials (13) und das Anbringen des Leuchtstoffs (14) bei einer Temperatur zwischen einschließlich 500 °C und 1900 °C durch eine Laserstrahlung (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Leuchtstoff (14) während des Erzeugens der zugehörigen Schicht (12) mit dieser Schicht und somit mit dem Grundkörper (11) verbunden wird, wobei das Erhitzen des Grundmaterials (13) und das Anbringen des Leuchtstoffs (14) bei einer Temperatur zwischen einschließlich 500 °C und 1900 °C durch eine Elektronenstrahlung (3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Leuchtstoff (14) zumindest zeitweise während des Erzeugens des Grundkörpers (11) zur Fotolumineszenz angeregt wird, und/oder bei dem der Leuchtstoff (14) nach dem vollständigen Erzeugen des Grundkörpers (11) mit einer Testlichtquelle (3) zur Fotolumineszenz angeregt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leuchtstoff (14) oder zumindest einer der Leuchtstoffe (14) ausgewählt ist aus den folgenden Materialien: ein Oxid, (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂, ein Oxihalogenid, ein Sulfid, ein Oxisulfid, ein Sulfat, ein Oxisulfat, ein Selenid, ein Nitrid, ein Oxinitrid, ein Nitrat, ein Oxinitrat, ein Aluminat, ein Phosphid, ein Phosphat, ein Carbonat, ein Silikat, ein Oxisilikat, ein Vanadat, ein Molybdat, ein Wolframat, ein Germanat, ein Oxigermanat oder ein Halogenid der Elemente Li, Na, K, Rb, Mg, Ca, Sr, Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Zn, Gd, Lu, Al, Ga und/oder In, wobei der oder die Leuchtstoffe (21, 22) je ein oder mehrere lumineszierende Ionen aus der Gruppe In⁺, Sn²⁺, Pb²⁺, Sb³⁺, Bi³⁺, Ce³⁺, Ce⁴⁺, Pr³⁺, Nd³⁺, Sm²⁺, Sm³⁺, Eu²⁺, Eu³⁺, Gd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Tm²⁺, Tm³⁺, Yb²⁺, Yb³⁺, Ti³⁺, V²⁺, V³⁺, V⁴⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Mn³⁺, Mn⁴⁺, Fe³⁺, Fe⁴⁺, Fe⁵⁺, Co³⁺, Co⁴⁺, Ni²⁺, Cu⁺, Ru²⁺, Ru³⁺, Pd²⁺, Ag⁺, Ir³⁺, Pt²⁺ und Au⁺ enthalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leuchtstoff (14) mit ultravioletter oder nahinfraroter Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs zur Fotolumineszenz im sichtbaren Spektralbereich anregbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leuchtstoff (14) ausschließlich an strukturellen Schwachstellen des fertigen Werkstücks (1) und/oder an einer Referenzstelle angebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leuchtstoff (14) vor dem Anbringen als Leuchtstoffpartikel mit einem mittleren Durchmesser zwischen einschließlich 0,01 µm und 50 µm vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nach dem Aufbauen des Grundkörpers (11) aus den Schichten (12) und nach dem Anbringen des Leuchtstoffs (14) während des Erzeugens des Grundkörpers (11) dieser bei einer Temperatur zwischen einschließlich 800 °C und 1750 °C gesintert wird, wobei nach dem Sintern die spektrale und/oder zeitliche Abstrahlcharakteristik des Leuchtstoffs (14) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Leuchtstoffe (14) an unterschiedlichen Stellen des Grundkörpers (11) aufgebracht werden, wobei die Leuchtstoffe (14) in Form eines eindimensionalen oder zweidimensionalen Codes auf den Grundkörper (11) aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Leuchtstoff (14) höchstens 10 % einer Außenfläche (16) des fertig hergestellten Grundkörpers (11) bedeckt und höchstens bis in eine Tiefe von 5 µm in den Grundkörper (11) eindringt oder sich mit dem Grundmaterial (13) mischt, wobei eine mittlere Dicke des Leuchtstoffs (14) bei höchstens 1 % einer mittleren Ausdehnung des Grundkörpers (11), gemessen in derselben Richtung wie die Dicke des Leuchtstoffs (14), beträgt.
Werkstück (1), das einen Grundkörper (11) aufweist, der über einen 3D-Abscheideprozess hergestellt ist und an dem an Außenflächen (16) zumindest ein Leuchtstoff (14) angebracht ist, wobei der Leuchtstoff (14) eine spektral und/oder zeitlich veränderte Abstrahlcharakteristik aufweist, im Vergleich zu einem Referenzleuchtstoff (6) gleicher Zusammensetzung, der nur Temperaturen unterhalb von 150 °C ausgesetzt war.