DE102016207059A1

DE102016207059A1 - Verfahren und Vorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils

Info

Publication number: DE102016207059A1
Application number: DE102016207059.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Ladewig; Christian Liebl; Steffen Schlothauer
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-10-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (14). Dabei wird ein pulverförmiger und/oder bereits verfestigter Bauteilwerkstoff während und/oder nach dem Auftragen einer Pulverschicht (16) auf eine Aufbau- und Fügezone (10) zumindest bereichsweise mittels wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung (20) beleuchtet, deren Hauptabstrahlrichtung in einem Einfallswinkel α<45 ° zu einer Aufbau- und Fügezone (10) angeordnet wird. Mittels einer oberhalb der Aufbau- und Fügezone (10) angeordneten Kamera wird wenigstens ein Bild des beleuchteten Bereichs aufgenommen, wonach mittels einer Auswerteeinrichtung anhand des wenigstens einen Bildes geprüft wird, ob der pulverförmige und/oder bereits verfestigte Bauteilwerkstoff Unregelmäßigkeiten aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils.
Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von einzelnen Bauteilbereichen oder vollständigen Bauteilen sind in einer großen Vielzahl bekannt. Insbesondere sind additive bzw. generative Fertigungsverfahren (sog. Rapid Manufacturing- bzw. Rapid Prototyping-Verfahren) bekannt, bei denen das Bauteil, bei dem es sich beispielsweise um ein Bauteil einer Strömungsmaschine bzw. eines Flugtriebwerks handeln kann, schichtweise aufgebaut wird. Vorwiegend metallische Bauteile können beispielsweise durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelz- oder -sinterverfahren hergestellt werden. Dabei wird zunächst schichtweise mindestens ein pulverförmiger Bauteilwerkstoff auf eine Bauteilplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgetragen, um eine Pulverschicht zu bilden. Anschließend wird der Bauteilwerkstoff lokal verfestigt, indem dem Bauteilwerkstoff im Bereich der Aufbau- und Fügezone Energie mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls zugeführt wird, wodurch der Bauteilwerkstoff schmilzt und/oder versintert und eine Bauteilschicht bildet. Der Hochenergiestrahl wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert. Die Schichtinformationen werden üblicherweise aus einem 3D-CAD-Körper des Bauteils erzeugt und in einzelne Bauteilschichten unterteilt. Nach dem Verfestigen wird die Bauteilplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt. Danach werden die genannten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung des gewünschten Bauteilbereichs oder des gesamten Bauteils wiederholt.
Bei dieser Art der additiven Fertigung ist die Einhaltung einer definierten Pulverschichtstärke von großer Bedeutung. Je nach belichteter Fläche (Bauteilquerschnitt) werden unterschiedliche Mengen an Pulver benötigt, um eine vollständige Beschichtung zu gewährleisten. In der Regel wird daher die Fördermenge des Beschichters in Abhängigkeit der zu belichtenden Fläche gesteuert. Dennoch kann es beispielsweise durch Störungen am Beschichter, durch ungünstige Positionierung von Bauteilen oder durch unzureichende Verdichtung des Pulvers im Pulverschacht zu Störungen im Pulverauftrag und damit zu unregelmäßigen Pulverschichten kommen. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn dieser Effekt nur für eine oder wenige Bauteilschichten auftritt und danach wieder eine normale bzw. fehlerfreie Beschichtung erfolgt. Das Bauteil weicht in diesem Fall maßlich nicht oder unmerklich von seinem Sollmaß ab, kann jedoch starke Bindefehler aufweisen, da in den betroffenen Bereichen ein Vielfaches der Soll-Schichtstärke verschmolzen oder versintert wurde.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung anzugeben, welche eine bessere Prüfung der Pulverschicht auf Unregelmäßigkeiten ermöglichen.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie durch ein Computerprogramm gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte und umgekehrt anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, bei welchem zumindest die Schritte a) schichtweises Auftragen mindestens einer Pulverschicht aus einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff auf eine Bauteilplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone, b) lokales Verfestigen der Pulverschicht durch selektives Belichten mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls im Bereich der Aufbau- und Fügezone unter Ausbildung einer Bauteilschicht, c) Absenken der Bauteilplattform um eine vordefinierte Schichtdicke und d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs oder des Bauteils durchgeführt werden. Erfindungsgemäß wird eine bessere Prüfung der Pulverschicht auf Unregelmäßigkeiten dadurch ermöglicht, dass der pulverförmige und/oder bereits verfestigte Bauteilwerkstoff während und/oder nach Schritt a) zumindest bereichsweise mittels wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird, deren Hauptabstrahlrichtung in einem Einfallswinkel α<45 ° zur Aufbau- und Fügezone angeordnet wird, dass mittels einer oberhalb der Aufbau- und Fügezone angeordneten Kamera wenigstens ein Bild des beleuchteten Bereichs aufgenommen wird und dass mittels einer Auswerteeinrichtung anhand des wenigstens einen Bildes geprüft wird, ob der pulverförmige und/oder bereits verfestigte Bauteilwerkstoff Unregelmäßigkeiten aufweist. Durch das Bestrahlen der losen Pulverschicht bzw. der bereits verfestigten Bauteiloberfläche in einem möglichst flachen bzw. spitzen Einfallswinkel < 45 ° können Erkennungs- und Beurteilungsprobleme, die ansonsten aufgrund von Reflektionen bei einer Beleuchtung von oben auftreten würden, zuverlässig vermieden werden. Dies erlaubt eine besonders zuverlässige Prüfung der losen Pulverschicht oder des bereits verfestigen Bauteilwerkstoffs auf Unregelmäßigkeiten. Unter einem Einfallswinkel α<45 ° werden dabei insbesondere Einfallswinkel α von 45 °, 44 °, 43 °, 42 °, 41 °, 40 °, 39 °, 38 °, 37 °, 36 °, 35 °, 34 °, 33 °, 32 °, 31 °, 30 °, 29 °, 28 °, 27 °, 26 °, 25 °, 24 °, 23 °, 22 °, 21 °, 20 °, 19 °, 18 °, 17 °, 16 °, 15 °, 14 °, 13 °, 12 °, 11 °, 10 °, 9 °, 8 °, 7 °, 6 °, 5 °, 4 °, 3 °, 2 ° oder 1 ° bezogen auf die Ebene der Aufbau- und Fügezone verstanden, wobei Einfallswinkel α im Bereich zwischen etwa 20 ° und etwa 30 ° besonders bevorzugt sind. Weiterhin kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass lediglich ein einzelnes Bild pro geprüfter Pulverschicht aufgenommen wird oder dass mehrere Bilder aufgenommen und getrennt ausgewertet oder zunächst zu einem Gesamtbild kombiniert und dann ausgewertet werden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass alle Pulverschichten ein- oder mehrmals geprüft werden. Alternativ können auch nur einzelne Pulverschichten des Bauteils bzw. Bauteilbereichs geprüft werden, während andere Pulverschichten nicht geprüft werden. Im Fall von erkannten Unregelmäßigkeiten können dann entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um die geforderte Bauteilqualität sicherzustellen. Falls die Unregelmäßigkeiten bereits ein vorbestimmtes Mindestqualitätskriterium verletzen, kann das Bauteil alternativ bereits vor der endgültigen Fertigstellung als Ausschuss verworfen werden, wodurch entsprechende Zeit- und Materialeinsparungen realisiert werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als additives Herstellungsverfahren ein Lasersinter- und/oder Laserschmelzverfahren und/oder als Hochenergiestrahl ein Laserstrahl verwendet wird. Hierdurch können Bauteilbereiche oder Bauteile hergestellt werden, deren mechanischen Eigenschaften zumindest im Wesentlichen denen des Bauteilwerkstoffs entsprechen. Zur Erzeugung des Hochenergie- oder Laserstrahls können beispielsweise CO₂-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass zwei oder mehr Hochenergie- bzw. Laserstrahlen verwendet werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem das wenigstens eine Bild mittels einer Kamera einer optischen Tomographieeinrichtung aufgenommen wird. Hierdurch ist eine besonders exakte Prüfung auf Unregelmäßigkeiten möglich, da Kameras von optischen Tomographieeinrichtungen besonders hohe Auflösungen und einen hohen Dynamikumfang besitzen. Zudem verfügen gattungsgemäße Vorrichtungen häufig bereits über eine optische Thermographieeinrichtung, so dass vorteilhaft auf eine zusätzliche Kamera zum Aufnehmen des beleuchteten Pulverbetts verzichtet werden kann.
Eine besonders zuverlässige Prüfung auf Unregelmäßigkeiten wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch ermöglicht, dass das wenigstens eine Bild mit einer Belichtungszeit zwischen 100 ms und 2 s aufgenommen wird. Damit können in Abhängigkeit der konkreten Aufnahmebedingungen beispielsweise Belichtungszeiten von 100 ms, 150 ms, 200 ms, 250 ms, 300 ms, 350 ms, 400 ms, 450 ms, 500 ms, 550 ms, 600 ms, 650 ms, 700 ms, 750 ms, 800 ms, 850 ms, 900 ms, 950 ms, 1000 ms, 1050 ms, 1100 ms, 1150 ms, 1200 ms, 1250 ms, 1300 ms, 1350 ms, 1400 ms, 1450 ms, 1500 ms, 1550 ms, 1600 ms, 1650 ms, 1700 ms, 1750 ms, 1800 ms, 1850 ms, 1900 ms, 1950 ms oder 2000 ms verwendet werden, um die in die Kamera einfallende Lichtmenge optimal ist Abhängigkeit von der Helligkeit des Pulverbetts und der Empfindlichkeit der Kamera bzw. des Bildsensors der Kamera (ISO-, ASA- oder DIN-Zahl) einzustellen. Entsprechende Zwischenwerte wie beispielsweise 100 ms, 101 ms, 102 ms, 103 ms, 104 ms, 105 ms, 106 ms, 107 ms, 108 ms, 109 ms, 110 ms etc. sind dabei als mitoffenbart anzusehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung emittiert die Beleuchtungseinrichtung Licht im Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 3 µm, wobei insbesondere Wellenlängenbereiche zwischen 800 nm und 1000 nm, das heißt beispielsweise Wellenlängen von 800 nm, 805 nm, 810 nm, 815 nm, 820 nm, 825 nm, 830 nm, 835 nm, 840 nm, 845 nm, 850 nm, 855 nm, 860 nm, 865 nm, 870 nm, 875 nm, 880 nm, 885 nm, 890 nm, 895 nm, 900 nm, 905 nm, 910 nm, 915 nm, 920 nm, 925 nm, 930 nm, 935 nm, 940 nm, 945 nm, 950 nm, 955 nm, 960 nm, 965 nm, 970 nm, 975 nm, 980 nm, 985 nm, 990 nm, 995 nm oder 1000 nm sowie entsprechende Zwischenwerte besonders bevorzugt sind. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Beleuchtung nicht oder zumindest nicht ausschließlich im für den Menschen sichtbaren Lichtspektrum, sondern auch oder überwiegend im Bereich des nahen Infrarots (NIR) erfolgt. Dies erlaubt eine besonders zuverlässige Prüfung auf Unregelmäßigkeiten, da Störungen durch Tageslicht, herkömmliche Bauraumbeleuchtungen und dergleichen zuverlässig vermieden werden. Darüber hinaus eignet sich eine Beleuchtung im NIR-Bereich insbesondere in Kombination mit einer optischen Tomographieeinrichtung, da diese üblicherweise Bilder im NIR-Bereich aufnehmen kann.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Beleuchtungseinrichtung die Aufbau- und Fügezone gegen eine Beschichtungsrichtung beleuchtet, in welcher die Pulverschicht aufgetragen wird und/oder wurde. Hierdurch können Pulverschütthügel, die im Fall von unzureichender Beschichtung entstehen können, besonders gut beleuchtet und deren Reflektion in Form einer Kante erfasst werden. Zudem ist es auf diese Weise besonders zuverlässig möglich, auch Pulverschütthügel zu erkennen, die sich nicht auf einer darunter liegenden, bereits verfestigten und damit blanken bzw. stark reflektierenden Oberfläche, sondern auf darunter liegendem Pulver befinden, das heißt nicht auf einer blanken, sondern auf einer matten Oberfläche.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn Schritt a) unidirektional oder bidirektional mittels eines Beschichters durchgeführt wird. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Pulverschicht mittels eines Beschichters aufgetragen wird, wobei der Beschichter entweder nur unidirektional beschichtet, das heißt nur in einer Richtung von links nach rechts oder von rechts nach links eine Pulverschicht aufträgt und auf dem jeweiligen Rückweg einen Leerlauf vollzieht, oder bidirektional beschichtet, dass heißt sowohl bei einer Bewegung von links nach rechts als auch von rechts nach links eine Pulverschicht aufträgt. Dies erlaubt eine besonders flexible Erzeugung der Pulverschicht. Im Fall einer unidirektionalen Beschichtung kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinrichtung nur auf einer Seite des Beschichters angeordnet ist, mit dem Beschichter mitbewegt wird, aber nur die in Bewegungsrichtung betrachtet vor oder hinter dem Beschichter liegende Pulverschicht beleuchten kann. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinrichtung auf beiden Seiten des Beschichters angeordnet ist und damit sowohl die in Bewegungsrichtung betrachtet vor als auch die hinter dem Beschichter liegende Pulverschicht beleuchten kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wendet die Auswerteeinrichtung zum Prüfen auf Unregelmäßigkeiten zumindest einen Bildverarbeitungsfilter auf das wenigstens eine Bild an. Hierdurch kann die Erkennung von Unregelmäßigkeiten erleichtert und verbessert werden. Als Bildverarbeitungsfilter können beispielsweise Kantenfilter, Grauwertematrix-Filter (engl. gray level co-occurrence matrix (GLCM) oder co-occurrence matrix) und dergleichen, einzeln und in beliebiger Kombination verwendet werden.
Eine verbesserte Dokumentation und Auswertbarkeit des Beschichtungsvorgangs wird in weiterer Ausgestaltung dadurch ermöglicht, dass die Auswerteeinrichtung erkannte Unregelmäßigkeiten als Datensatz in einer Speichereinrichtung speichert.
Dabei hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn bei erkannten Unregelmäßigkeiten Schritt a) wenigstens einmal wiederholt wird und/oder so oft wiederholt wird, bis eine anschließende Prüfung auf Unregelmäßigkeiten eine regelmäßige Beschichtung der Aufbau- und Fügezone mit dem pulverförmigen Bauteilwerkstoff ergibt. Dies erlaubt Steuerung bzw. Regelung des Beschichtungsvorgangs, wodurch eine besonders hohe Bauteilqualität prozesssicher gewährleistet wird.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Turbine oder eines Verdichters, wobei die Vorrichtung mindestens einen Beschichter zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht aus einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff auf eine Aufbau- und Fügezone einer absenkbaren Bauteilplattform und mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls umfasst, mittels welchem die Pulverschicht im Bereich der Aufbauund Fügezone lokal zu einer Bauteilschicht verfestigbar ist. Eine verbesserte Prüfung der Pulverschicht auf Unregelmäßigkeiten wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, dass die Vorrichtung eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des pulverförmigen und/oder bereits verfestigten Bauteilwerkstoffs während und/oder nach dem Auftrag der mindestens einen Pulverschicht umfasst, wobei eine Hauptabstrahlrichtung der Beleuchtungseinrichtung in einem Einfallswinkel α<45 ° zur Aufbau- und Fügezone angeordnet ist, mindestens eine oberhalb der Aufbau- und Fügezone angeordneten Kamera umfasst, mittels welcher wenigstens ein Bild des beleuchteten Bereichs aufnehmbar ist, und eine Auswerteeinrichtung umfasst, welche dazu ausgebildet ist, anhand des wenigstens einen Bildes zu prüfen, ob der pulverförmige und/oder bereits verfestigte Bauteilwerkstoff Unregelmäßigkeiten aufweist. Durch die Möglichkeit, die lose Pulverschicht bzw. die bereits verfestigte Bauteiloberfläche in einem möglichst flachen bzw. spitzen Einfallswinkel α < 45 ° zu bestrahlen können Erkennungs- und Beurteilungsprobleme, die ansonsten aufgrund von Reflektionen bei einer Beleuchtung von oben (Einfallswinkel 45°–90°–135°) auftreten würden, zuverlässig vermieden werden. Jede Beleuchtungseinrichtung kann in grundsätzlich 1, 2, 3, 4 oder mehr Leuchtmittel umfassen, um eine möglichst gleichmäßige Beleuchtung zu erzeugen. Dies erlaubt eine besonders zuverlässige Prüfung der losen Pulverschicht oder des bereits verfestigen Bauteilwerkstoffs auf Unregelmäßigkeiten. Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Beleuchtungseinrichtung als Leuchtmittel wenigstens eine Halogenlampe und/oder ein LED-Leuchtmittel und/oder ein Leuchtmittel mit einem Spektralanteil im Bereich des nahen Infrarots (NIR). Dies ermöglicht eine optimale Ausleuchtung des zu prüfenden Bereichs und eine einfache Anpassung des Leuchtmittels bzw. der von diesem emittierten Strahlung an den zur Aufnahme des wenigstens einen Bildes verwendeten Kameratyp. Zusätzlich kann die Beleuchtungseinrichtung in Abhängigkeit der emittierten elektromagnetischen Strahlung auch zur allgemeinen Beleuchtung verwendet werden. Hierzu eignen sich insbesondere Halogenlampen, die Licht sowohl im für den Menschen sichtbaren Bereich als auch im NIR-Bereich emittieren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Beleuchtungseinrichtung an einer Seite des Beschichters oder an gegenüberliegenden Seiten des Beschichters angeordnet. In Abhängigkeit davon, ob der Beschichter zur unidirektionalen oder zur bidirektionalen Beschichtung ausgebildet oder verwendet wird, kann hierdurch der in Beschichtungsrichtung vor und/oder hinter dem Beschichter liegende Bereich bedarfsweise beleuchtet werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Vorrichtung eine optische Tomographieeinrichtung umfasst, wobei das wenigstens ein Bild des beleuchteten Bereichs mittels einer Kamera der optischen Tomographieeinrichtung aufnehmbar ist. Optische Tomographieeinrichtungen werden generell zur hochauflösenden und ortsgetreuen Aufzeichnung der Strahlungsintensität eines Schmelz- und/oder Sintervorgangs verwendet. Mit Hilfe einer häufig ohnehin vorhandenen optischen Tomographieeinrichtung können daher besonders präzise Aufnahmen des beleuchteten Bereichs erstellt und entsprechend präzise und zuverlässig ausgewertet werden. Zudem kann vorteilhaft auf zusätzliche Kameras verzichtet werden, wodurch entsprechende Kosteneinsparungen realisiert werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm zum Steuern einer Vorrichtung gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt, wobei das Computerprogramm dazu eingerichtet ist, dass die Vorrichtung bei Ausführung des Computerprogramms durch eine Prozessoreinrichtung der Vorrichtung ein Verfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ausführt. Die damit verbundenen Merkmale und Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Dabei zeigt:
1 eine schematische Aufsicht einer Aufbau- und Fügezone einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum additiven Herstellen eines Bauteils, wobei die Aufbau- und Fügezone mit einer fehlerhaften Pulverschicht beschichtet und mittels mehrerer Beleuchtungseinrichtungen beleuchtet wird;
2 eine schematische seitliche Schnittansicht der Aufbau- und Fügezone entlang der in 1 gezeigten Schnittebene A-A;
3 eine schematische seitliche Schnittansicht der Aufbau- und Fügezone entlang der in 1 gezeigten Schnittebene B-B;
4 eine schematische Perspektivansicht der Aufbau- und Fügezone, welche mit einer fehlerhaften Pulverschicht beschichtet ist; und
5 eine schematische Perspektivansicht der Aufbau- und Fügezone, welche mit einer gleichmäßigen Pulverschicht beschichtet ist.
1 zeigt eine schematische Aufsicht einer Aufbau- und Fügezone 10 einer erfindungsgemäßen und vorliegend als Laserschmelzanlage ausgebildeten Vorrichtung 12 zum additiven Herstellen eines Bauteils 14 für eine Gasturbine. Man erkennt, dass die Aufbau- und Fügezone 10 mit einer fehlerhaften Pulverschicht 16 beschichtet ist, so dass eine darunter liegende Schicht 18, deren Oberfläche bereichsweise aus pulverförmigem Bauteilwerkstoff und bereichsweise aus bereits verfestigtem Bauteilwerkstoff besteht, teilweise unbeschichtet geblieben ist. Zur Prüfung der Pulverschicht 16 auf Unregelmäßigkeiten wird die die Aufbau- und Fügezone 10 mittels einer Beleuchtungseinrichtung 20 beleuchtet, wobei die Beleuchtungseinrichtung 20 mehrere Leuchtmittel 22 (s. 4) umfasst, um eine möglichst gleichmäßige Beleuchtung der gesamten Fläche der Aufbau- und Fügezone 10 sicherzustellen. Als Leuchtmittel 22 kommen im gezeigten Ausführungsbeispiel an sich bekannte Halogenbirnen zum Einsatz, da diese Licht sowohl im sichtbaren Bereich als auch im Bereich des nahen Infrarots (NIR), insbesondere im Wellenlängenbereich von etwa 900 nm emittieren. Anstelle von Halogenbirnen 22 können grundsätzlich auch andere Leuchtmittel 22, beispielsweise LED-Leuchtmittel 22 mit auf die jeweilige Kamera abgestimmter Abstrahlcharakteristik verwendet werden. Die Beleuchtungseinrichtung 20 beleuchtet die Aufbau- und Fügezone 10 dabei entgegen der zum Aufbringen der Pulverschicht 16 verwendeten Beschichtungsrichtung, wobei eine Hauptabstrahlrichtung der Beleuchtungseinrichtung 20 derart eingestellt wird, dass ein Einfallswinkel α des Lichts zwischen etwa 20 ° und etwa 30 ° zur Aufbau- und Fügezone 10 angeordnet ist. Dieser möglichst flache Einfallswinkel α dient dazu, Störungen aufgrund von Reflektionen zu minimieren, die beispielsweise bei einer Beleuchtung von oben (45 ≤ α ≤90 °) entstehen würden.
2 zeigt zur Verdeutlichung eine schematische seitliche Schnittansicht der Aufbau- und Fügezone 10 entlang der in 1 gezeigten Schnittebene A-A, während 3 eine schematische seitliche Schnittansicht der Aufbau- und Fügezone 10 entlang der in 1 gezeigten Schnittebene B-B zeigt. Zusätzlich ist eine absenkbare Bauteilplattform 24 gezeigt, auf welcher die Pulverschicht 16 schichtweise aufgebracht und lokal verfestigt wird. Man erkennt, dass das mit Pfeilen symbolisierte Licht entsprechend flach bzw. im spitzen Einfallswinkel α auf die Oberfläche des losen oder bereits verfestigten Bauteilwerkstoffs trifft. Im Bereich von Fehlbeschichtungen bilden sich Pulverschütthügel 26, an denen das Licht nach oben hin reflektiert wird. Diese reflektierte Strahlung wird mit Hilfe einer oberhalb der Aufbau- und Fügezone 10 angeordneten Kamera einer optischen Tomographieeinrichtung (nicht gezeigt) als Bild aufgenommen und zur Prüfung und Beurteilung der Pulverschicht 16 herangezogen. Durch die Beleuchtung von (hier) links, das heißt gegen die Beschichtungsrichtung, werden alle im Fall von unzureichender Beschichtung entstehenden Pulverschütthügel 26 beleuchtet, so dass das reflektierte Licht in Form einer Kante erfasst werden kann. Wie man aus 2 und 3 erkennt ist dies ist sowohl möglich, wenn die Pulverschütthügel 26 auf dem Pulverbett, also ohne darunter liegende blanke Oberfläche des Bauteils 14 entstehen (3), als auch bei Pulverschütthügeln 26, die auf bereits verfestigtem Bauteilwerkstoff liegen (2).
Das oder die Bilder können grundsätzlich vor, während und/oder nach einem Beschichtungsschritt aufgenommen werden, wobei die Belichtungszeit zwischen 100 ms und 1 s eingestellt wird. Treten Störungen in der Beschichtung auf, können diese dann automatisch mit geeigneten Bildverarbeitungsfiltern (Kantenfilter, gray value co-occurence matrix etc.) detektiert und dokumentiert werden. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass der Beschichtungsschritt erneut bzw. so lange ausgeführt wird, bis eine einwandfreie Pulverschicht 16 vorliegt.
4 zeigt eine schematische Perspektivansicht der Aufbau- und Fügezone 10, welche erneut mit einer fehlerhaften Pulverschicht 16 beschichtet ist. Man erkennt, dass im hinteren linken Bereich der Aufbau- und Fügezone 10 die darunter liegende Schicht 18 unbeschichtet ist und frei liegt, so dass der bereits verfestigte Bauteilwerkstoff eine blanke und stark spiegelnde Oberfläche bildet. Die Beleuchtungseinrichtung 20, welche exemplarisch vier Leuchtmittel 22 in Form von Halogenbirnen umfasst, ist in einen zum Herstellen der einzelnen Pulverschichten 16 verwendeten Beschichter 28 der Vorrichtung 12 integriert und beleuchtet die Pulverschicht 16 von links gegen die Beschichtungsrichtung. Auch hier wird das reflektierte Licht mittels einer Kamera als Bild erfasst und mittels einer Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) der Vorrichtung 12 ausgewertet. Aufgrund der im Rahmen der Prüfung ermittelten Unregelmäßigkeit der Pulverschicht 16 wird dann der Beschichtungsvorgang so lange wiederholt, bis eine korrekte Pulverschicht 16 vorliegt.
5 zeigt hierzu eine schematische Perspektivansicht der Aufbau- und Fügezone 10, welche mit einer gleichmäßigen und fehlerfreien Pulverschicht 16 beschichtet ist. Erst wenn diese Prozessvoraussetzung gegeben ist, wird mit dem Herstellen der betreffenden Bauteilschicht durch selektives Beaufschlagen der Pulverschicht 16 mit einem Laserstrahl fortgefahren. Damit wird eine gleichbleibend hohe Bauteilqualität sichergestellt und die Fehlerfreiheit der hergestellten Bauteile 14 gewährleistet.
Bezugszeichenliste

10: Fügezone
12: Vorrichtung
14: Bauteile
16: Pulverschicht
18: Schicht
20: Beleuchtungseinrichtung
22: Leuchtmittel
24: Bauteilplattform
26: Pulverschütthügel
28: Beschichter

Claims

Verfahren zum additiven Herstellen zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (14), folgende Schritte umfassend: a) schichtweises Auftragen mindestens einer Pulverschicht (16) aus einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff auf eine Bauteilplattform (24) im Bereich einer Aufbau- und Fügezone (10); b) lokales Verfestigen der Pulverschicht (16) durch selektives Belichten mittels wenigstens eines Hochenergiestrahls im Bereich der Aufbau- und Fügezone (10) unter Ausbildung einer Bauteilschicht; c) Absenken der Bauteilplattform (24) um eine vordefinierte Schichtdicke; und d) Wiederholen der Schritte a) bis c) bis zur Fertigstellung des Bauteilbereichs oder des Bauteils (14), dadurch gekennzeichnet, – dass der pulverförmige und/oder bereits verfestigte Bauteilwerkstoff während und/oder nach Schritt a) zumindest bereichsweise mittels wenigstens einer Beleuchtungseinrichtung (20) beleuchtet wird, deren Hauptabstrahlrichtung in einem Einfallswinkel α < 45 ° zur Aufbau- und Fügezone (10) angeordnet wird; – dass mittels einer oberhalb der Aufbau- und Fügezone (10) angeordneten Kamera wenigstens ein Bild des beleuchteten Bereichs aufgenommen wird; und – dass mittels einer Auswerteeinrichtung anhand des wenigstens einen Bildes geprüft wird, ob der pulverförmige und/oder bereits verfestigte Bauteilwerkstoff Unregelmäßigkeiten aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als additives Herstellungsverfahren ein Lasersinter- und/oder Laserschmelzverfahren und/oder als Hochenergiestrahl ein Laserstrahl verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bild mittels einer Kamera einer optischen Tomographieeinrichtung aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Bild mit einer Belichtungszeit zwischen 100 ms und 2 s aufgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (20) Licht im Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 3 µm, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1000 nm emittiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (20) die Aufbau- und Fügezone (10) gegen eine Beschichtungsrichtung beleuchtet, in welcher die Pulverschicht (16) aufgetragen wird und/oder wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) unidirektional oder bidirektional mittels eines Beschichters (28) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung zum Prüfen auf Unregelmäßigkeiten zumindest einen Bildverarbeitungsfilter auf das wenigstens eine Bild anwendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung erkannte Unregelmäßigkeiten als Datensatz in einer Speichereinrichtung speichert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei erkannten Unregelmäßigkeiten Schritt a) wenigstens einmal wiederholt wird und/oder so oft wiederholt wird, bis eine anschließende Prüfung auf Unregelmäßigkeiten eine regelmäßige Beschichtung der Aufbau- und Fügezone (10) mit dem pulverförmigen Bauteilwerkstoff ergibt.
Vorrichtung (12) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (14), insbesondere eines Bauteils (14) einer Turbine oder eines Verdichters, umfassend: – mindestens einen Beschichter (28) zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht (16) aus einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff auf eine Aufbau- und Fügezone (10) einer absenkbaren Bauteilplattform (28); und – mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Hochenergiestrahls, mittels welchem die Pulverschicht (16) im Bereich der Aufbau- und Fügezone (10) lokal zu einer Bauteilschicht verfestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese – eine Beleuchtungseinrichtung (20) zum Beleuchten des pulverförmigen und/oder bereits verfestigten Bauteilwerkstoffs während und/oder nach dem Auftrag der mindestens einen Pulverschicht (16) umfasst, wobei eine Hauptabstrahlrichtung der Beleuchtungseinrichtung (20) in einem Einfallswinkel α < 45 ° zur Aufbau- und Fügezone (10) angeordnet ist; – mindestens eine oberhalb der Aufbau- und Fügezone (10) angeordneten Kamera umfasst, mittels welcher wenigstens ein Bild des beleuchteten Bereichs aufnehmbar ist; und – eine Auswerteeinrichtung umfasst, welche dazu ausgebildet ist, anhand des wenigstens einen Bildes zu prüfen, ob der pulverförmige und/oder bereits verfestigte Bauteilwerkstoff Unregelmäßigkeiten aufweist.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (20) als Leuchtmittel (22) wenigstens eine Halogenlampe und/oder ein LED-Leuchtmittel und/oder ein Leuchtmittel (22) mit einem Spektralanteil im Bereich des nahen Infrarots (NIR) umfasst.
Vorrichtung (12) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinrichtung (20) an einer Seite des Beschichters (28) oder an gegenüberliegenden Seiten des Beschichters (28) angeordnet ist.
Vorrichtung 812) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine optische Tomographieeinrichtung umfasst, wobei das wenigstens ein Bild des beleuchteten Bereichs mittels einer Kamera der optischen Tomographieeinrichtung aufnehmbar ist.
Computerprogramm zum Steuern einer Vorrichtung (12) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Computerprogramm dazu eingerichtet ist, dass die Vorrichtung (12) bei Ausführung des Computerprogramms durch eine Prozessoreinrichtung der Vorrichtung (12) ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführt.