DE102014208768B4

DE102014208768B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Qualitätssicherung

Info

Publication number: DE102014208768B4
Application number: DE102014208768.6A
Authority: DE
Inventors: Alexander Ladewig; Georg Schlick; Günter Zenzinger; Joachim Bamberg; Thomas Hess
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2014-05-09
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2034-05-10
Also published as: US20170066084A1; WO2015169309A1; EP3140644A1; DE102014208768A1

Abstract

Verfahren zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils (14) während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens generativen Fertigungsverfahrens mit mindestens einem Bearbeitungslaser erfolgt, das folgende Schritte umfasst:
- schichtweiser Aufbau des Bauteils (14),
- thermografische Aufnahme mindestens eines Bildes von mindestens einem Bauteilbereich (17) am Laserstrahl mittels mindestens eines Aufnahmesensors, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Aufnahme einer Vielzahl von Bildern in einem definierten Zeitraum erfolgt, die eine zeitliche Änderung einer Wärmeverteilung in einem schmelzbadfreien Bauteilbereich (17) erfassen, wobei
- beim Auftreten mindestens eines Fehlers (30) wie einem Riss (30), einem Fremdmaterial, einer Pore, einem Bindefehler und dergleichen in der obersten Bauteilschicht oder darunter der Bauteilbereich (17) eine charakteristische zeitliche Änderung einer Wärmeverteilung am Fehler (30) aufweist, wobei
- der zeitliche Verlauf der Wärmeverteilung und damit der Fehler (30) mittels der zugehörigen Aufnahme der Vielzahl von Bildern sichtbar gemacht wird,
- wobei die thermografische Aufnahme mittels einer möglichst kleine Abmessungen aufweisenden, IR-sensitiven Photodiodenanord-nung und einer optischen Scanvorrichtung, die die Wärmeverteilung durch den Laserstrahl hindurch erfasst sowie mit einer Aufnahmegeschwindigkeit von mindestens 1000 fs erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils während dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 11.
Aus dem Stand der Technik sind Laserthermografieverfahren bekannt, die als zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZFP-Verfahren) zur Erkennung von Rissen in Bauteilen verwendet werden. Hierbei wird die Abkühlung der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils mit einer Laserthermografiekamera erfasst. Dies ist jedoch mit Einschränkungen verbunden, da das zu prüfende Bauteil aus lasertechnischen Sicherheitsgründen eingehaust sein muss. Durch die hohe Energie des Lasers kommt es zu einer erheblichen Erwärmung der Oberfläche des zu prüfenden Bauteils. Für die Prüfung des Bauteils muss bei einem generativen Fertigungsverfahren der Herstellungsprozess unterbrochen werden. Für die Erwärmung des Bauteils ist eine zweite Energiequelle erforderlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das bei einem generativen Fertigungsverfahren eine zerstörungsfreie Prüfung eines metallischen Bauteils während des Herstellungsprozesses (Prüfung mittels eines Online-Verfahrens) auf Fehler wie Risse, Fremdmaterialien, Poren, Bindefehler und dergleichen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung nach Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens generativen Fertigungsverfahrens mit mindestens einem Bearbeitungslaser erfolgt, das folgende Schritte umfasst:

- schichtweiser Aufbau des Bauteils,
- thermografische Aufnahme mindestens eines Bildes von mindestens einem Bauteilbereich am Laserstrahl mittels mindestens eines Aufnahmesensors.

Dann erfolgt eine Aufnahme einer Vielzahl von Bildern in einem definierten Zeitraum, die eine zeitliche Änderung einer Wärmeverteilung in einem schmelzbadfreien Bauteilbereich erfassen, wobei beim Auftreten mindestens eines Fehlers wie einem Riss, einem Fremdmaterial, einer Pore, einem Bindefehler und dergleichen in der obersten Bauteilschicht oder darunter der Bauteilbereich eine charakteristische zeitliche Änderung einer Wärmeverteilung am Fehler aufweist, wobei der zeitliche Verlauf der Wärmeverteilung und damit der Fehler mittels der zugehörigen Aufnahme der Vielzahl von Bildern sichtbar gemacht wird.
Unter einer charakteristischen Wärmeverteilung am Fehler wird eine zeitliche Änderung einer Wärmeverteilung verstanden, die speziell aufgrund einer Materialunterbrechung am Fehler entsteht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, während der generativen Fertigung die jeweils zuletzt erzeugte Schicht und einige darunter liegende Schichten eines Bauteils während der Fertigung zu prüfen. Auf diese Weise ergibt sich eine Prüfung in Form eines Online-Verfahrens, mittels dessen das gesamte Bauteil während der Entstehung bzw. Herstellung auf Fehler untersucht und lückenlos dokumentiert werden kann. Bevorzugt werden in jeder einzelnen Schicht Bilder aufgenommen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, eine Prüfung auf Fehler wie Risse, Fremdmaterialien, Poren, Bindefehler und dergleichen mit Hilfe eines Online-Verfahrens ohne signifikanten Mehraufwand durchzuführen. Innere Fehler können zerstörungsfrei nachgewiesen werden, so dass eine Luftfahrtzulassung des Bauteiles ohne nachgelagerte Prüfungen möglich ist.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfasst die thermografische Aufnahme mittels des Aufnahmesensors, insbesondere einer Photodiodenanordnung, und einer optischen Scanvorrichtung die Wärmeverteilung durch den Laserstrahl hindurch. Dadurch kann die Größe des Aufnahmesensors deutlich kleiner ausfallen als die Größe der Aufnahmesensoren von Thermografieeinrichtungen nach dem Stand der Technik, denn der Aufnahmebereich des Aufnahmesensors wird mittels der optischen Scaneinrichtung stets auf den momentan zu untersuchenden Bauteilbereich und nicht auf die gesamte Bauteilschicht gelenkt. Außerdem kann bei einer Aufnahme durch den Laserstrahl hindurch der aufgenommene Bauteilbereich näher am Laserstrahl liegen.
In einer weiteren speziellen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die thermografische Aufnahme der Bilder nach dem Aufbau einer Bauteilschicht, wobei der Bearbeitungslaser die aufgebaute Bauteilschicht zeilenweise überstreicht und dabei die Oberflächentemperatur des Bauteils gerade so geringfügig erhöht, dass eine Beeinflussung der Wärmeverteilung der Bauteilschicht vermieden wird. Hierdurch wird eine Überprüfung einer vollständigen Bauteilschicht ermöglicht.
Insbesondere wird der Aufnahmesensor so klein wie möglich gewählt, so dass gerade noch ein definierter Bauteilbereich, der in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Laserstrahls hinter einer Auftrefffläche des Laserstrahls liegt, erfasst wird. Ein möglichst kleiner Aufnahmesensor ermöglicht eine hohe Auflösungsrate und Aufnahmegeschwindigkeit und damit eine hohe Genauigkeit der bei der Aufnahme von Bildern.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die thermografische Aufnahme der Bilder während des Aufbaus einer Bauteilschicht, wobei der Bearbeitungslaser ein lokales Schmelzbad erzeugt. Hierbei kann die Bauteilschicht noch während des Aufbaus untersucht werden.
Zweckmäßig wird der Aufnahmesensor so klein wie möglich gewählt, so dass gerade noch ein definierter Bauteilbereich, der in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Laserstrahls hinter dem Schmelzbad liegt und gerade aushärtet oder bereits ausgehärtet ist, erfasst wird. Zum Beispiel ermöglicht eine möglichst kleine Photodiodenanordnung eine hohe Auflösungsrate bzw. Aufnahmegeschwindigkeit und damit eine hohe Genauigkeit bei der Aufnahme von Bildern.
In einer weiteren speziellen Ausbildung werden zumindest einige der aufgetragenen Schichten vor der thermografischen Aufnahme der zugehörigen Bilder einer gesteuerten Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteilmaterials unterzogen, wobei die Wärmebehandlung eine von der zuletzt aufgetragenen Schicht ausgehende Wärmestrahlung, insbesondere im Infrarotbereich am Rand des sichtbaren Spektrums und im Erfassungsspektrum des Aufnahmesensors, bewirkt, die beim Auftreten mindestens eines Fehlers wie einem Riss, einem Fremdmaterial, einer Pore, eines Bindefehlers und dergleichen in der Schicht eine charakteristische zeitliche Wärmeverteilung am Fehler aufweist, wobei diese Wärmeverteilung und damit der Fehler mittels der zugehörigen thermografischen Aufnahme der Vielzahl von Bildern sichtbar gemacht wird.
Es wird also eine reduzierte Wärmeeinbringung durchgeführt, die die Temperatur in der Schicht örtlich auf ein Niveau anhebt, auf dem Wärmestrahlung im nahen Infrarot ausgesendet wird, ohne dass es dabei zum erneuten Aufschmelzen kommt. Die Wärmestrahlung kommt dabei jedoch so nahe an den Rand des sichtbaren Spektrums, dass ein hochauflösender Aufnahmesensor die Wärmeverteilung erfassen kann.
Außerdem kann das generative Fertigungsverfahren ein selektives Laserschmelzen und/oder ein selektives Lasersintern sein. Diese Verfahren sind besonders gut für die generative Fertigung von metallischen Bauteilen geeignet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Fehler durch erneutes Aufschmelzen der fehlerbehafteten Stelle oder der Bauteilschicht korrigiert. Dadurch wird die Qualität der Schicht nicht nur geprüft, sondern auch gesichert bzw. gewährleistet.
Speziell können die von der Thermografieeinrichtung aufgenommenen Bilder analysiert und bei Erkennen des Fehlers eine Signaleinrichtung aktiviert und/oder ein erneutes Aufschmelzen der fehlerbehafteten Stelle oder Bauteilschicht ausgelöst werden. Diese Verfahrensschritte können rein manuell, vollautomatisch oder teilweise automatisch bzw. teilweise manuell erfolgen. Das Aktivieren der Signaleinrichtung kann eine Bedienperson alarmieren, wenn ein Fehler erkannt wird. Die Bedienperson kann dann die generative Fertigung des Bauteils unterbrechen und den Bearbeitungslaser für das generative Fertigungsverfahren so einstellen, dass die fehlerbehaftete Stelle oder Bauteilschicht erneut aufgeschmolzen wird. Alternativ kann das erneute Aufschmelzen der fehlerbehafteten Stelle oder Bauteilschicht automatisch ausgelöst werden. Dabei kann zusätzlich ein Alarmsignal erzeugt werden.
Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einer Vorrichtung zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens eines generativen Fertigungsverfahrens erfolgt, mit mindestens einer generativen Fertigungseinrichtung, die mindestens einen Bearbeitungslaser umfasst, und mindestens einer Thermografieeinrichtung mit mindestens einem Aufnahmesensor. Die Thermografieeinrichtung umfasst auch mindestens eine optische Scaneinrichtung, wobei der Aufnahmesensor eine angepasste Aufnahmegeschwindigkeit aufweist, mittels derer eine Vielzahl von Bildern in einem definierten Zeitraum aufnehmbar und damit eine zeitliche Änderung einer Wärmeverteilung in einem definierten schmelzbadfreien Bauteilbereich darstellbar ist. Dadurch kann die Größe des Aufnahmesensors deutlich kleiner ausfallen als die Größe der Aufnahmesensoren von Thermografieeinrichtungen nach dem Stand der Technik, denn gemäß der Erfindung wird der Aufnahmebereich des Aufnahmesensors mittels der optischen Scaneinrichtung stets auf den momentan zu untersuchenden Bauteilbereich und nicht auf die gesamte Bauteilschicht gelenkt.
In einer speziellen Weiterbildung umfasst der Aufnahmesensor eine Photodiodenanordnung, die möglichst kleine Abmessungen aufweist. Kleine Abmessungen ermöglichen hohe Aufnahmegeschwindigkeiten.
In einer weiteren speziellen Ausgestaltung ist die Aufnahmegeschwindigkeit des Aufnahmesensros mindestens 1000 fps. Hohe Abtastraten bzw. Aufnahmegeschwindigkeiten ermöglichen eine hohe Genauigkeit bei der Bildaufnahme.
Zudem kann der Bearbeitungslaser der generativen Fertigungseinrichtung gleichzeitig die Energiequelle für die gesteuerte Wärmebehandlung sein. Zum Beispiel kann für die Wärmebehandlung der in der generativen Fertigungseinrichtung bereits vorhandene Bearbeitungslaser genutzt werden, so dass eine weitere Energiequelle nicht erforderlich ist.
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung mindestens eine Anzeigeeinrichtung, mindestens eine Auswerteeinrichtung, mindestens eine Signaleinrichtung zum Melden eines Fehlers wie einem Riss, einem Fremdmaterial, einer Pore, einem Bindefehler und dergleichen und mindestens eine Steuerung des Bearbeitungslasers der generativen Fertigungsvorrichtung.
Auf der Anzeigeeinrichtung können die von dem Aufnahmesensor erfassten Aufnahmen optisch dargestellt werden. Die Auswerteeinrichtung dient zur Datenverarbeitung. Die Signaleinrichtung kann eine Bedienperson alarmieren, wenn ein Fehler erkannt wird. Die Bedienperson kann dann die generative Fertigung des Bauteils unterbrechen und den Bearbeitungslaser für das generative Fertigungsverfahren so steuern, dass die fehlerbehaftete Stelle oder Bauteilschicht erneut aufgeschmolzen wird. Alternativ kann das erneute Aufschmelzen der fehlerbehafteten Stelle oder Bauteilschicht mittels der Steuerung des Bearbeitungslasers für das generative Fertigungsverfahren automatisch von der Auswerteeinrichtung ausgelöst werden. Dabei kann zusätzlich die Signaleinrichtung aktiviert werden.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von fünf stark vereinfachten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1,
3 eine perspektivische Vergrößerung eines Ausschnitts aus einem Bauteilbereich und
4 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, welche eine generative Fertigungseinrichtung 12 zum Herstellen eines Bauteils 14 umfasst. 1 wird im Folgenden in Zusammenschau mit 2 erläutert werden, in welcher eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gemäß 1 abgebildet ist. Die Vorrichtung 10 dient zur Durchführung eines Verfahrens zur Qualitätssicherung eines Bauteils 14 während dessen Herstellung.
Die generative Fertigungseinrichtung 12 selbst ist vorliegend als eine an sich bekannte, selektive Laserschmelzanlage (SLM) ausgebildet, d.h. ein Laser bzw. Bearbeitungslaser 22 ist die Energiequelle für den Schmelzvorgang. Der Laser ist nach unten gerichtet, so dass das Bauteil 14 von unten nach oben in übereinander aufzubringenden Schichten hergestellt werden kann.
Eine Thermografieeinrichtung 18 ist außerhalb eines Bauraums 16 (2) der generativen Fertigungseinrichtung 12 angeordnet und dient dazu, eine zeitliche Änderung des Wärmeverlaufs in der obersten Schicht des Bauteils 14 während dessen Herstellung zu erfassen. Die Thermografieeinrichtung 18 ist auf die jeweils oberste Schicht des Bauteils 14 gerichtet, wobei der Erfassungswinkel der Thermografieinrichtung 18 lediglich den Bauteilbereich 17 überdeckt. Die Thermografieeinrichtung ist in einer vertikalen Ebene, die hier der Bildebene in 2 entspricht, zwischen dem Laser 22 und den äußeren Begrenzungen des Bauraums 16 angeordnet. Dadurch wird eine optische Verzerrung, die bei einer zu stark geneigten Thermografieeinrichtung 18 entstehen könnte, vermieden. Außerdem kann die Thermografieeinrichtung 18 aufgrund dieser Anordnung durch den Laserstrahl hindurch Bilder aufnehmen.
Zwischen dem Bauraum 16 (2) und der Thermografieeinrichtung 18 ist ein Laser-Schutzglas 20 (1) angeordnet, um eine Beschädigung eines Aufnahmesensors bzw. einer Photodiodenanordnung der Thermografieeinrichtung 18, wie z.B. einer Kamera, durch den Laser 22 der generativen Fertigungseinrichtung 12 zu verhindern. Die Thermografieeinrichtung 18 befindet sich somit oberhalb des Bauraums 16 und außerhalb des Strahlengangs II des Lasers 22 der generativen Fertigungseinrichtung 12. Hierdurch wird sichergestellt, dass sich die Thermografieeinrichtung 18 nicht im Strahlengang II befindet und dass der Laser 22 dementsprechend keine Energieverluste durch optische Elemente wie halbtransparente Spiegel, Gitter oder dergleichen erleidet. Weiterhin beeinflusst die Thermografieeinrichtung 18 nicht das Herstellungsverfahren des Bauteils 14 und ist zudem einfach austauschbar bzw. nachrüstbar.
Die Thermografieeinrichtung 18 umfasst vorliegend eine IR-sensitive Photodiodenanordnung mit einer Aufnahmegeschwindigkeit von bevorzugterweise mindestens 1000 fps . Obwohl grundsätzlich auch andere Sensortypen, Schwarzweiß-Kameras oder dergleichen verwendet werden können, liefert ein Farbsensor bzw. ein Sensor mit einem breiten Spektralbereich vergleichsweise mehr Informationen, welche eine dementsprechend genauere Beurteilung des Bauteilbereichs 17 erlauben.
Zum Herstellen des Bauteils 14 werden in an sich bekannter Weise dünne Pulverschichten einer hochtemperaturfesten Metalllegierung auf eine Plattform (nicht gezeigt) der generativen Fertigungseinrichtung 12 aufgebracht, mit Hilfe des Lasers 22 lokal aufgeschmolzen und durch Abkühlen verfestigt. Anschließend wird die Plattform abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut verfestigt. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das Bauteil 14 hergestellt ist. Ein beispielhaftes Bauteil 14 besteht aus bis zu 2000 Bauteilschichten und hat eine Gesamtschichthöhe von 40 mm. Das fertige Bauteil 14 kann anschließend weiterbearbeitet oder sofort verwendet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die jeweils oberste Schicht des Bauteils 14 einer Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteilmaterials unterzogen werden. Diese Wärmebehandlung bewirkt, dass von der obersten Schicht eine Wärmestrahlung ausgeht, die mittels einer Thermografieeinrichtung 18 erfasst werden kann. Die Wärmestrahlung der bersten Schicht wird so eingestellt, dass sie im Infrarotbereich am Rand des sichtbaren Spektrums und auch im Empfindlichkeitsbereich der Thermografieeinrichtung 18 liegt. Bevorzugterweise wird jede aufgetragene Schicht einer Wärmebehandlung unterzogen.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel entfällt eine nachträgliche Wärmebehandlung. Stattdessen wird zur Fehlerprüfung der Bauteilbereich 17 in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Lasers (II in 2) hinter einem Schmelzbad aufgenommen.
Die zeitliche Änderung des Wärmeverlaufs in der obersten Schicht des Bauteilbereichs 17 wird dabei mit Hilfe der Thermografieeinrichtung 18 in Form einer Bildfolge ermittelt. Die zeitliche Änderung des Wärmeverlaufs in der obersten Schicht des Bauteils 14 und gegebenenfalls weitere hieraus abgeleitete Informationen, wie z.B. das Auffinden von Fehlern in der obersten Schicht oder darunter, werden anschließend ortsaufgelöst und beispielsweise über Helligkeitswerte und/oder Farben kodiert mittels einer Anzeigeeinrichtung 32 (4) visualisiert.
Während der Prüfung des Bauteils 14 ist dieses ohne eine Einhausung in der generativen Fertigungseinrichtung 12 angeordnet. Eine Einhausung ist nicht notwendig, denn die Thermografieeinrichtung 18 hat weder während der generativen Fertigung, noch während der Prüfung des Bauteils 14 einen Einfluss auf den Wärmeverlauf im Bauteil 14.
Durch die optische Thermographie werden nicht nur geometrische Informationen, sondern auch Informationen über die lokale Temperaturverteilung und die zeitliche Änderung des Wärmeverlaufs in dem betreffenden Bauteilbereich 17 erhalten. Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die vom Laserstrahl zurückgelegte Strecke pro Einzelbild zwischen 10 mm und 120 mm, also beispielsweise 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm, 60 mm, 70 mm, 80 mm, 90 mm, 100 mm, 110 mm oder 120 mm beträgt. Weiterhin kann grundsätzlich vorgesehen sein, dass jede Bildfolge bzw. Vielzahl von Bildern innerhalb von 2 Minuten ermittelt wird, um eine zu starke Abkühlung der Bauteilschichten und einen damit einhergehenden Informationsverlust zu vermeiden.
Das Bauteil 14 kann in seiner obersten Schicht einen Fehler aufweisen, der beispielhaft ein Riss sein kann. Andere mögliche Fehler sind Poren, Fremdmaterialien, Bindefehler und dergleichen. Der Riss kann ein Heißriss oder ein Segmentierungsriss sein.
3 zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnitts aus dem Bauteilbereich 17. Beispielhaft sind hier drei Schichten 26, 28 des Bauteils 14 dargestellt. Das Bauteil 14 kann jedoch auch in Abhängigkeit vom momentanen Fertigungszustand mehr oder weniger Schichten 26 umfassen. Die beiden hier dargestellten Schichten 26 sind fehlerfreie bzw. rissfreie Schichten, deren Rissfreiheit mit Hilfe der Thermografieeinrichtung 18 festgestellt werden konnte, so dass der Fertigungsprozess weitergeführt wurde. Die oberste Schicht des Bauteils 14 ist eine rissbehaftete Schicht 28.
Der Verlauf und die Form des Risses 30 sind hier lediglich schematisch dargestellt. In der Schicht 28 kann auch mehr als ein Riss 30 auftreten. Der Riss kann eine beliebige zufällige Form annehmen. Die Länge und Breite des Risses 30 kann variieren und im Bereich weniger Mikrometer liegen. Diese geringen Abmessungen können nur mit Hilfe der Thermografieeinrichtung 18 erfasst werden. Risse 30 in dieser Größenordnung können außerdem nur durch die entsprechende oben beschriebene Aufnahme der Bildfolge bzw. Vielzahl von Bildern zur Darstellung der zeitlichen Änderung der Wärmeverteilung erfasst werden. Es können auch Risse bzw. Fehler in einigen Schichten unterhalb der obersten Schicht 28 ermittelt werden. Befinden sich nämlich Fehler in oder unterhalb der obersten Schicht 28, ist die zeitliche Änderung der Wärmeverteilung gestört.
Wenn die Länge und/oder die maximale Breite des Risses 30 bestimmte Grenzwerte unterschreiten, kann die generative Fertigung fortgesetzt werden. Wenn die Grenzwerte jedoch erreicht oder überschritten werden, wird der Herstellungsprozess für das entsprechende Bauteil 14 vorzeitig beendet oder die rissbehaftete Schicht 28 des Bauteils 14 wird durch ein erneutes Aufschmelzen korrigiert.
Gemäß 4 wird jeder Bauteilbereich in gleicher Weise wie der Bauteilbereich 17 mit Hilfe der Thermografieeinrichtung 18 optisch erfasst und auf der Anzeigeeinrichtung 32 dargestellt. Zudem steht die Thermografieeinrichtung mit mindestens einer Auswerteeinrichtung 34 in Wirkverbindung, so dass die aufgenommenen Bilder dort sortiert und gespeichert und ggf. ein Befehl zum Unterbrechen des generativen Fertigungsprozesses des rissbehafteten Bauteils 14 ausgelöst werden können. Die Auswerteeinrichtung 34 ist so konfiguriert, dass diese den Riss 30 in der obersten Schicht 28 des Bauteils 14 mit Hilfe eines Algorithmus erkennen kann. Diese Abläufe können jedoch auch manuell nach Auswertung der Bilder bzw. Aufnahmen der Thermografieeinrichtung 18 auf der Anzeigeeinrichtung 32 durch eine Bedienperson durchgeführt werden.
Wenn mit Hilfe der Thermografieeinrichtung 18 und der Auswerteeinrichtung 34 erkannt wird, dass der Bauteilbereich 17 fehler- und hier rissbehaftet ist, kann der generative Fertigungsprozess unterbrochen und die rissbehaftete Stelle oder die gesamte Schicht 28 durch erneutes Aufschmelzen korrigiert werden. Das erneute Aufschmelzen der rissbehafteten Schicht 28 erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Auswerteeinrichtung 34 bei automatischem Erkennen eines Risses 30 der Steuerung 38 des Lasers 22 einen entsprechenden Befehl zum Unterbrechen des generativen Fertigungsprozesses und zum erneuten Aufschmelzen gibt.
Alternativ kann der generative Fertigungsprozess für ein rissbehaftetes Bauteil 14 vorzeitig beendet werden. Dies erfolgt durch einen manuell oder von der Auswerteeinrichtung 34 automatisch ausgelösten Befehl an die Steuerung 38 des Lasers 22.
Das vorzeitige Beenden des generativen Fertigungsprozesses wird bevorzugt durchgeführt, wenn das Bauteil 14 erst eine geringe Anzahl von Schichten 26, 28 aufweist. Wenn das Bauteil 14 bereits fast fertig ist, wird das Unterbrechen und erneute Aufschmelzen der fehlerbehafteten Stelle oder Schicht 28 bevorzugt.
Ganz allgemein kann die Auswerteeinrichtung 34 auch mit Hilfe einer Signaleinrichtung 36 einen Alarm in Form akustischer oder optischer Signale auslösen, z.B. in Form einer Warnmeldung auf der Anzeigeeinrichtung 32 oder einer anderen an die generative Fertigungseinrichtung 12 angeschlossenen Recheneinrichtung (nicht dargestellt). Dann kann von einer Bedienperson entschieden werden, ob und wie die generative Fertigung der Bauteile 14 fortgeführt wird.
Die Auswerteeinrichtung 34 und die Signaleinrichtung 36 einschließlich der erforderlichen Signalleitungen zwischen der Thermografieeinrichtung 18, der Auswerteeinrichtung, der Signaleinrichtung 36 und der Steuerung 38 des Lasers 22 der generativen Fertigungseinrichtung 12 sind Bestandteile der Vorrichtung 10.
Der Aufnahmesensor bzw. die Photodiodenanordnung der Thermografieeinrichtung nimmt Bilder durch den Strahlengang des Lasers 22 hindurch auf bzw. misst die zeitliche Änderung der Wärmeverteilung. Der dabei verwendete Aufnahmesensor hat eine geringe Größe, da das Blickfeld des Aufnahmesensors durch die Scanoptik stets auf die aktuell zu untersuchende Position gelenkt wird. In Folge dessen kann die Aufnahmegeschwindigkeit mindestens 1000 fps sein. Dadurch kann eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils (14) während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens generativen Fertigungsverfahrens mit mindestens einem Bearbeitungslaser erfolgt, das folgende Schritte umfasst:

- schichtweiser Aufbau des Bauteils (14),
- thermografische Aufnahme mindestens eines Bildes von mindestens einem Bauteilbereich am Laserstrahl mittels mindestens eines Aufnahmesensors,

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens generativen Fertigungsverfahrens mit mindestens einem Bearbeitungslaser erfolgt, das folgende Schritte umfasst:

Um eine zerstörungsfreie Prüfung eines metallischen Bauteils während des Herstellungsprozesses (Prüfung mittels eines Online-Verfahrens) auf Fehler wie Risse, Fremdmaterialien, Poren, Bindefehler und dergleichen zu ermöglichen, erfolgt eine Aufnahme einer Vielzahl von Bildern in einem definierten Zeitraum, die eine zeitliche Änderung einer Wärmeverteilung in einem schmelzbadfreien Bauteilbereich erfassen, wobei beim Auftreten mindestens eines Fehlers wie einem Riss, einem Fremdmaterial, einer Pore, einem Bindefehler und dergleichen in der obersten Bauteilschicht oder darunter der Bauteilbereich eine charakteristische zeitliche Änderung einer Wärmeverteilung am Fehler aufweist, wobei der zeitliche Verlauf der Wärmeverteilung und damit der Fehler mittels der zugehörigen Aufnahme der Vielzahl von Bildern sichtbar gemacht wird.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Generative Fertigungseinrichtung
14: Bauteil
16: Bauraum
17: Bauteilbereich
18: Thermografieeinrichtung
20: Laserschutzglas
22: Laser
26: Rissfreie Schicht
28: Rissbehaftete Schicht
30: Riss
32: Anzeigeeinrichtung
34: Auswerteeinrichtung
36: Signaleinrichtung
38: Steuerung
II: Strahlengang des Lasers

Claims

Verfahren zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils (14) während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens generativen Fertigungsverfahrens mit mindestens einem Bearbeitungslaser erfolgt, das folgende Schritte umfasst: - schichtweiser Aufbau des Bauteils (14), - thermografische Aufnahme mindestens eines Bildes von mindestens einem Bauteilbereich (17) am Laserstrahl mittels mindestens eines Aufnahmesensors, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Aufnahme einer Vielzahl von Bildern in einem definierten Zeitraum erfolgt, die eine zeitliche Änderung einer Wärmeverteilung in einem schmelzbadfreien Bauteilbereich (17) erfassen, wobei - beim Auftreten mindestens eines Fehlers (30) wie einem Riss (30), einem Fremdmaterial, einer Pore, einem Bindefehler und dergleichen in der obersten Bauteilschicht oder darunter der Bauteilbereich (17) eine charakteristische zeitliche Änderung einer Wärmeverteilung am Fehler (30) aufweist, wobei - der zeitliche Verlauf der Wärmeverteilung und damit der Fehler (30) mittels der zugehörigen Aufnahme der Vielzahl von Bildern sichtbar gemacht wird, - wobei die thermografische Aufnahme mittels einer möglichst kleine Abmessungen aufweisenden, IR-sensitiven Photodiodenanord-nung und einer optischen Scanvorrichtung, die die Wärmeverteilung durch den Laserstrahl hindurch erfasst sowie mit einer Aufnahmegeschwindigkeit von mindestens 1000 fs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermografische Aufnahme der Bilder nach dem Aufbau einer Bauteilschicht (26, 28) erfolgt, wobei der Bearbeitungslaser die aufgebaute Bauteilschicht zeilenweise überstreicht und dabei die Oberflächentemperatur des Bauteils (14) gerade so geringfügig erhöht, dass eine Beeinflussung der Wärmeverteilung der Bauteilschicht (26, 28) vermieden wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmesensor so klein wie möglich gewählt wird, so dass gerade noch ein definierter Bauteilbereich (17), der in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Laserstrahls hinter einer Auftrefffläche des Laserstrahls liegt, erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermografische Aufnahme der Bilder während des Aufbaus einer Bauteilschicht (26, 28) erfolgt, wobei der Bearbeitungslaser (22) ein lokales Schmelzbad erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmesensor so klein wie möglich gewählt wird, so dass gerade noch ein definierter Bauteilbereich (17), der in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Laserstrahls hinter dem Schmelzbad liegt und gerade aushärtet oder bereits ausgehärtet ist, erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der aufgetragenen Schichten (26, 28) vor der thermografischen Aufnahme der zugehörigen Bilder einer gesteuerten Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des Bauteilmaterials unterzogen werden, wobei die Wärmebehandlung eine von der zuletzt aufgetragenen Schicht ausgehende Wärmestrahlung bewirkt, die beim Auftreten mindestens eines Fehlers (30) wie einem Riss (30), einem Fremdmaterial, einer Pore, eines Bindefehlers und dergleichen in der Schicht (28) eine charakteristischen zeitliche Wärmeverteilung am Fehler (30) aufweist, wobei diese Wärmeverteilung und damit der Fehler (30) mittels der zugehörigen thermografischen Aufnahme der Vielzahl von Bildern sichtbar gemacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das generative Fertigungsverfahren ein selektives Laserschmelzen und/oder ein selektives Lasersintern ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehler (30) durch erneutes Aufschmelzen der fehlerbehafteten Stelle oder Bauteilschicht (28) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Thermografieeinrichtung (18) aufgenommenen Bilder analysiert und bei Erkennen des Fehlers (30) eine Signaleinrichtung aktiviert und/oder ein erneutes Aufschmelzen der fehlerbehafteten Stelle oder Bauteilschicht (28) ausgelöst werden.
Vorrichtung (10) zur Qualitätssicherung mindestens eines Bauteils während dessen Herstellung, wobei die Herstellung mittels mindestens eines generativen Fertigungsverfahrens erfolgt, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 40, mit mindestens einer generativen Fertigungseinrichtung (12), die mindestens einen Bearbeitungslaser umfasst, und mindestens einer Thermografieeinrichtung (18) mit mindestens einem Aufnahmesensor, dadurch gekennzeichnet, dass - die Thermografieeinrichtung auch mindestens eine optische Scaneinrichtung umfasst, wobei - der Aufnahmesensor eine angepasste Aufnahmegeschwindigkeit aufweist, mittels derer eine Vielzahl von Bildern in einem definierten Zeitraum aufnehmbar und damit eine zeitliche Änderung einer Wärmeverteilung in einem definierten schmelzbadfreien Bauteilbereich darstellbar ist, wobei - der Aufnahmesensor eine Photodiodenanordnung umfasst, die möglichst kleine Abmessungen aufweist und - die Aufnahmegeschwindigkeit des Aufnahmesensors mindestens 1000 fps ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungslaser (22) der generativen Fertigungseinrichtung (12) gleichzeitig die Energiequelle für die gesteuerte Wärmebehandlung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) - mindestens eine Anzeigeeinrichtung (32), - mindestens eine Auswerteeinrichtung (34), - mindestens eine Signaleinrichtung (36) zum Melden eines Fehlers (30) wie einem Riss, einem Fremdmaterial, einer Pore, einem Bindefehler und dergleichen und - mindestens eine Steuerung (38) des Bearbeitungslasers (22) der generativen Fertigungsvorrichtung (12) umfasst.