DE102018210797A1 - Method for producing components, in particular components for use in the vehicle industry, in metallic 3D printing with at least one sensor area, and such a component - Google Patents

Method for producing components, in particular components for use in the vehicle industry, in metallic 3D printing with at least one sensor area, and such a component Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen (12), insbesondere von Bauteilen (12) für die Verwendung in der Fahrzeugindustrie, im metallischen 3D-Druck mit zumindest einem Sensorbereich (14) sowie ein solches Bauteil (12) selbst.Es ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen (12), insbesondere von Bauteilen (12) für die Verwendung in der Fahrzeugindustrie, im metallischen 3D-Druck bereitgestellt wird. Dabei weist das zu fertigende Bauteil (12) zumindest einen Sensorbereich (14) auf. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte: Auftragen von Materialschichten aus zumindest einem Ausgangsmaterial, Behandeln des Ausgangsmaterials mit zumindest einer Energiequelle während und/oder nach dem Auftragen. Mittels einer gezielten Parametervariation des Verfahrens kann eine gezielte Beeinflussung des behandelten Ausgangsmaterials in zumindest zwei Richtungen in dem zumindest einen Sensorbereich (14) erreicht werden, sodass sich bereichsweise eine jeweilige spezifische Mikrostruktur oder eine spezifische Defektdichte in dem behandelten Ausgangsmaterial ortsgenau einstellen lässt.The invention relates to a method for producing components (12), in particular components (12) for use in the vehicle industry, in metallic 3D printing with at least one sensor area (14), and to such a component (12) itself that a method for producing components (12), in particular components (12) for use in the vehicle industry, is provided in metallic 3D printing. The component (12) to be manufactured has at least one sensor area (14). The method comprises the following steps: application of material layers from at least one starting material, treatment of the starting material with at least one energy source during and / or after the application. By means of a targeted parameter variation of the method, the treated starting material can be influenced in at least two directions in the at least one sensor area (14), so that a specific microstructure or a specific defect density in the treated starting material can be set in specific areas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Bauteilen für die Verwendung in der Fahrzeugindustrie, im metallischen 3D-Druck mit zumindest einem Sensorbereich sowie ein solches Bauteil selbst.The invention relates to a method for producing components, in particular components for use in the automotive industry, in metallic 3D printing with at least one sensor area, and to such a component itself.

Durch zunehmende Anforderungen an das Fahrzeug werden auch immer mehr Sensoren in diesem benötigt. Allerdings erhöht sich durch diese zusätzlichen Sensoren auch das Fahrzeuggewicht. Zudem ist es nicht immer möglich, zusätzliche Sensoren dort im Fahrzeug zu platzieren, wo sie benötigt werden. Auch in der Produktion von Fahrzeugen werden durch höhere Qualitäts- und Produktivitätsanforderungen weitere Sensoren benötigt, welche unter Umständen ebenfalls in nicht geeigneten Bereichen liegen.Due to increasing demands on the vehicle, more and more sensors are needed in it. However, these additional sensors also increase the vehicle weight. In addition, it is not always possible to place additional sensors in the vehicle where they are needed. Due to higher quality and productivity requirements, additional sensors are also required in the production of vehicles, which may also be in unsuitable areas.

Der metallische 3D-Druck bietet die Möglichkeit, Mikrostrukturen gezielt zu verändern. Der Einsatz solch speziell veränderter Bereiche als Sensor beziehungsweise aus so einem Material einen Sensor für die Verwendung in der Fahrzeugindustrie aufzubauen, ist aus dem Stand der Technik dabei noch nicht als bekannt zu entnehmen.Metallic 3D printing offers the opportunity to specifically change microstructures. The use of such specially modified areas as a sensor or to construct a sensor for use in the vehicle industry from such a material is not yet known from the prior art.

In dem Fachartikel NIENDORF, T., BRENNE F., SCHAPER, M. et al. (2016), „Labelling additively manufactured parts by microstructural gradation - advanced copy-proof design“, Rapid Prototyping Journal, Vol. 22, Nr. 4, 630 - 635, wird aufgezeigt, inwiefern sich mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Laserquellen und entsprechend unterschiedlich eingestellten Leistungsparametern die Materialeigenschaften, bezogen beispielsweise auf die Mikrostruktur, von einer Metallprobe beeinflussen lassen. Die Verwendung in einem Verfahren für die Fahrzeugindustrie wird nicht explizit erwähnt.In the specialist article NIENDORF, T., BRENNE F., SCHAPER, M. et al. (2016), "Labeling additively manufactured parts by microstructural gradation - advanced copy-proof design", Rapid Prototyping Journal, Vol. 22, No. 4, 630 - 635, shows to what extent using two different laser sources and accordingly differently set performance parameters to influence the material properties, based on the microstructure, for example, of a metal sample. The use in a method for the automotive industry is not explicitly mentioned.

Aus der US 2014/ 0154088 A1 ist ein Verfahren als bekannt zu entnehmen. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann bei der dreidimensionalen Herstellung von beispielsweise metallischen Komponenten eine gezielte Beeinflussung der Mikrostruktur über spezielle Scan-Muster der Energiequelle erreicht werden. Dabei wird dieser Effekt dazu verwendet, um verbesserte Komponenten herzstellen, wobei eine höhere Lebensdauer und eine verbesserte operative Performance der Komponenten im Fokus stehen. Ein Einsatz in einem Bereich, welcher als sensorisches Element dienen soll, ist nicht vorgesehen.A method is known from US 2014/0154088 A1. With the aid of this method, the microstructure can be influenced in a targeted manner in the three-dimensional production of, for example, metallic components, by means of special scan patterns of the energy source. This effect is used to produce improved components, whereby the focus is on a longer service life and improved operational performance of the components. Use in an area which is to serve as a sensory element is not intended.

Aus der WO 2016/ 019935 A1 sind Sensoren sowie ein Verfahren zur Herstellung von solchen Sensoren als bekannt zu entnehmen. Dabei wird Sensormaterial mittels eines dem Laser-Auftragsschweißen ähnlichen Verfahrens auf eine Funktionsschicht aufgebracht oder innerhalb der Funktionsschicht eingebettet, sodass entsprechend ein Sensor bereitgestellt wird. Dabei wird das Sensormaterial selbst nicht speziell gesondert behandelt. Vielmehr ist ein gleichmäßiges Auftragen des Sensormaterials vorgesehen. In einer besonderen Ausführungsform wird darauf hingewiesen, dass das aufgebrachte Sensormaterial unterbrechungsfrei und porenfrei ausgestaltet werden soll.From WO 2016/019935 A1 sensors and a method for producing such sensors can be found as known. In this case, sensor material is applied to a functional layer using a method similar to laser cladding or embedded within the functional layer, so that a sensor is provided accordingly. The sensor material itself is not specially treated. Rather, a uniform application of the sensor material is provided. In a particular embodiment, it is pointed out that the applied sensor material should be designed without interruptions and without pores.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem es möglich ist, einen kostengünstigen und leichten Sensor in Bauteilen herzustellen.The invention is based on the object of providing a method with which it is possible to produce an inexpensive and light sensor in components.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Bauteilen für die Verwendung in der Fahrzeugindustrie, im metallischen 3D-Druck mit zumindest einem Sensorbereich bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte: Auftragen von Materialschichten aus zumindest einem Ausgangsmaterial, Behandeln des Ausgangsmaterials mit zumindest einer Energiequelle während und/oder nach dem Auftragen, wobei mittels zumindest einer gezielten Parametervariation des Verfahrens eine gezielte Beeinflussung des behandelten Ausgangsmaterials in zumindest zwei Richtungen in dem zumindest einen Sensorbereich erreicht wird, sodass sich bereichsweise eine jeweilige spezifische Mikrostruktur oder eine spezifische Defektdichte in dem behandelten Ausgangsmaterial ortsgenau einstellt. Ähnlich wie bei der hergestellten Metallprobe, welche in dem oben erwähnten Fachartikel besprochen wird, bietet der metallische 3D-Druck, insbesondere im Sinne von SLM (Selective Laser Melting), EBM (Electron Beam Melting) und Auftragsschweißen, die Möglichkeit, durch eine gezielte Parametersteuerung die Mikrostruktur zwischen beispielsweise grob- und feinkörnigem Gefüge einzustellen beziehungsweise defektfreie und defekthaltige Bereiche zu erzeugen. Dabei weist eine unterschiedliche Mikrostruktur jeweils Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften auf. So kann beispielsweise der spezifische elektrische Widerstand genutzt werden, welcher sich je nach Korngröße beziehungsweise Defektdichte unterschiedlich verhält. Dieser Effekt lässt sich somit innerhalb des vorgestellten Verfahrens für den Sensorbereich nutzen, um auf diese Weise einen kostengünstigen und leichten Sensorbereich beziehungsweise einen Sensor im Bauteil herzustellen. Mit anderen Worten bietet der metallische 3D-Druck die Möglichkeit, die Mikrostruktur gezielt zu verändern, um so einen Sensorbereich beziehungsweise einen Sensor im bestehenden Material aufbauen zu können. Diese Sensorherstellung in der additiven Fertigung kann dabei in jeglicher Schicht vorgenommen werden. Vorstellbar ist zum Beispiel, dass der Sensor im Volumen des Bauteils versteckt wird und somit von außen nicht direkt mit dem bloßen Auge sichtbar ist. Die Mikrostruktur kann sowohl oberflächlich, als auch erst im Volumen verändert werden. Somit kann der Sensor eingebracht werden, ohne dass ein Erkennen von außen möglich ist. Eine derartige Sensorherstellung durch Variation der Mikrostruktur oder der Defektdichte kann somit ohne weitere Zusatzkomponenten für einen Sensor bereitgestellt werden, sodass kein zusätzliches Gewicht in das Bauteil eingebracht werden muss. Der hier dargestellte Sensorbereich bietet also die Möglichkeit ohne einen zusätzlichen Sensor die Umgebung zu erfassen. So kann solch ein Sensorbereich auch an sonst nicht zugänglichen Stellen des Bauteils platziert werden. In diesem Zusammenhang ist es auch vorstellbar, in einem Bauteil mehr als einen Sensorbereich vorzusehen. Beispielsweise könnte auf diese Weise auch ein Sensornetzwerk in dem zu fertigenden Bauteil hergestellt werden, wobei solch ein Sensornetzwerk auf die jeweiligen Anwendungsbereiche, in welchem das zu fertigende Bauteil eingesetzt werden soll, ausgelegt werden kann. Es lässt sich somit ein mikrostruktureller Sensor im metallischen 3D-Druck herstellen. Dabei kann eine Umgebungserfassung ohne externen Sensor bereitgestellt werden. Insbesondere kann das Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen in der Produktion verwendet werden. Bei einer entsprechenden Kostenreduktion des 3D-Drucks ist auch ein Einsatz in Fahrzeugteilen selbst möglich. Darüber hinaus ist auch ein Einsatz innerhalb der Medizintechnik oder der Luftfahrttechnik denkbar.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that a method for producing components, in particular components for use in the vehicle industry, is provided in metallic 3D printing with at least one sensor area. The method comprises the following steps: application of material layers made of at least one starting material, treatment of the starting material with at least one energy source during and / or after the application, wherein by means of at least one targeted parameter variation of the method a targeted influencing of the treated starting material in at least two directions in the at least one sensor area is reached, so that a respective specific microstructure or a specific defect density is set in the treated starting material in certain areas. Similar to the metal sample produced, which is discussed in the technical article mentioned above, metallic 3D printing, in particular in the sense of SLM (Selective Laser Melting), EBM (Electron Beam Melting) and cladding, offers the possibility of a targeted parameter control to set the microstructure between, for example, coarse and fine-grained structure or to produce defect-free and defect-containing areas. A different microstructure has an impact on the physical properties. For example, the specific electrical resistance can be used, which behaves differently depending on the grain size or defect density. This effect can thus be used for the sensor area within the method presented in order to produce an inexpensive and light sensor area or a sensor in the component in this way. In other words, metallic 3D printing offers the possibility of specifically changing the microstructure in order to be able to set up a sensor area or a sensor in the existing material. This sensor production in additive manufacturing can be carried out in any layer. It is conceivable, for example, that the sensor is hidden in the volume of the component and is therefore not directly visible to the naked eye from the outside. The Microstructure can be changed both superficially and only in volume. The sensor can thus be inserted without being able to be recognized from the outside. Such a sensor production by varying the microstructure or the defect density can thus be provided for a sensor without additional components, so that no additional weight has to be introduced into the component. The sensor area shown here thus offers the possibility of detecting the surroundings without an additional sensor. Such a sensor area can also be placed at otherwise inaccessible locations on the component. In this context, it is also conceivable to provide more than one sensor area in one component. For example, a sensor network could also be produced in the component to be manufactured in this way, such a sensor network being able to be designed for the respective areas of application in which the component to be manufactured is to be used. A microstructural sensor can therefore be produced in metallic 3D printing. An environmental detection can be provided without an external sensor. In particular, the method for manufacturing tools can be used in production. With a corresponding reduction in costs of 3D printing, use in vehicle parts itself is also possible. In addition, use within medical technology or aviation technology is also conceivable.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention result from the other features mentioned in the subclaims.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die bereichsweise jeweilige spezifische Mikrostruktur oder die jeweilige spezifische Defektdichte zumindest teilweise in dem zumindest einem Sensorbereich des zu fertigenden Bauteils in Form eines Strichcodemusters angeordnet wird. Mittels Parametervariation wird beispielsweis ein Strichcodemuster zwischen grob- und feinkörnigem Gefüge oder defektfreiem und defekthaltigem Material aufgebaut, sodass ein individualisierter Sensorbereich beziehungsweise ein eindeutiger Sensor hergestellt werden kann. Da sich der spezifische elektrische Widerstand von grob- und feinkörnigem beziehungsweise defektfreiem und defekthaltigem Gefüge unterscheidet, lässt sich nun dieser mittels Wirbelstromprüfung ortsaufgelöst bestimmen. Ein derartiger Sensor lässt sich somit auf diese Weise auslesen, wobei sein Vorhandensein von außen nicht oder nur teilweise sichtbar ist.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the specific microstructure or the specific defect density in each area is at least partially arranged in the at least one sensor area of the component to be manufactured in the form of a bar code pattern. By means of parameter variation, for example, a bar code pattern is built up between coarse and fine-grained structure or defect-free and defect-containing material, so that an individualized sensor area or a unique sensor can be produced. Since the specific electrical resistance differs from coarse and fine-grained or defect-free and defect-containing structure, this can now be determined in a spatially resolved manner using an eddy current test. Such a sensor can thus be read out, its presence not being visible or only partially visible from the outside.

Zudem ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Energiequelle eine Laserstrahlquelle ist. Eine Laserstrahlquelle lässt sich sehr präzise einsetzen und somit können die entsprechenden Bereiche besonders genau hergestellt werden.In addition, it is provided in a further embodiment of the invention that the energy source is a laser beam source. A laser beam source can be used very precisely and thus the corresponding areas can be manufactured particularly precisely.

Auch ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass sich die gezielte Parametervariation auf eine eingebrachte Energieleistung in das zumindest eine Ausgangsmaterial und/oder einen Vorschub der Energiequelle bezieht. Je nachdem, wie genau die einzelnen Bereiche hergestellt werden sollen, lässt sich somit auf einfache Weise eine Fülle von Variationen in dem Verfahren bereitstellen, ohne das kostenaufwendige Zusatzlösungen bemüht werden müssen. Auf diese Weise ist eine kostengünstige und einfache Herstellung von Bauteilen mit den entsprechenden Sensorbereichen möglich.It is also provided in a further embodiment of the invention that the targeted parameter variation relates to an energy output introduced into the at least one starting material and / or a feed of the energy source. Depending on how exactly the individual areas are to be produced, a wealth of variations in the method can thus be provided in a simple manner, without the need for expensive additional solutions. In this way, inexpensive and simple production of components with the corresponding sensor areas is possible.

Ferner ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die eingebrachte Laserenergieleistung zumindest auf zwei Werte eingestellt wird beziehungsweise zwei Laser mit unterschiedlichen Leistungen verwendet werden, insbesondere auf 1.000 W und auf 400 W. Der spezifische Widerstand des Gefüges im Material ist bei unterschiedlichen Werten jeweils anders, sodass sich auf diese Weise unterschiedliche Bereiche herstellen lassen, welche sich zuverlässig bei einem Auslesevorgang des Sensorbereichs voneinander unterscheiden lassen. Beispielsweise ist der spezifische Widerstand des mit 1.000 W hergestellten grobkörnigen Gefüges anders als der des mit 400 W hergestellten feinkörnigen Gefüges. Somit können Grenzen zwischen den beiden Bereichen und damit der Abstand des unterschiedlichen Gefüges klar definiert werden.Furthermore, in a further embodiment of the invention it is provided that the laser energy power introduced is set at least to two values or two lasers with different powers are used, in particular at 1,000 W and at 400 W. The specific resistance of the structure in the material is in each case at different values different, so that different areas can be produced in this way, which can be reliably distinguished from one another during a reading process of the sensor area. For example, the specific resistance of the coarse-grained structure made with 1,000 W is different from that of the fine-grained structure made with 400 W. In this way, boundaries between the two areas and thus the distance between the different structures can be clearly defined.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein weiterer Verfahrensparameter variiert wird, wobei die weiteren Verfahrensparameter ausgewählt sind aus: Scangeschwindigkeit, Hatchabstand, Schichtstärke, Laserfokusposition und Strahlkaustik.In a further embodiment of the invention it is provided that at least one further process parameter is varied, the further process parameters being selected from: scanning speed, hatching distance, layer thickness, laser focus position and beam caustic.

Auch ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die jeweiligen spezifischen Mikrostrukturen im Wesentlichen eine identische Vorzugsorientierung im Gefüge des behandelten Ausgangsmaterials bezogen auf eine Magnetisierung aufweisen und dass in einem nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt bereichsweise magnetisierte und entmagnetisierte Bereiche in dem behandelten Ausgangsmaterial angeordnet werden. Auch auf diese Weise besteht somit die Möglichkeit, einen auslesbaren Sensorbereich in dem zu fertigenden Bauteil herzustellen. Beispielsweise können in einem ersten Schritt durch die Prozessführung etwa innerhalb eines SLM-Verfahrens jeweilige Vorzugsorientierungen im Gefüge eingestellt werden, die zum Beispiel mit der Ausrichtung der Weiss'schen Bezirke identisch sind. Durch eine nachträgliche lokale Wärmebehandlung des vollständig magnetisierten Sensorbereichs, etwa mit dem Laser, ist ein beliebiges Muster aus magnetisierten und entmagnetisierten Bereichen einstellbar.It is also provided in a further embodiment of the invention that the respective specific microstructures essentially have an identical preferred orientation in the structure of the treated starting material with respect to magnetization and that in a subsequent heat treatment step magnetized and demagnetized areas are arranged in regions in the treated starting material. In this way too, there is the possibility of producing a readable sensor area in the component to be manufactured. For example, in a first step, the process control can be used to set respective preferred orientations in the structure, for example within an SLM process, which are, for example, identical to the alignment of the Weiss districts. Subsequent local heat treatment of the completely magnetized sensor area, for example with the laser, is a any pattern from magnetized and demagnetized areas can be set.

Es ist zudem in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die magnetisierten und entmagnetisierten Bereiche zumindest teilweise in dem zumindest einen Sensorbereich des zu fertigenden Bauteils in Form eines Strichcodemusters angeordnet werden. Grundsätzlich sind somit gleiche sensorische Funktionalitäten wie bei einer feinbeziehungsweise grobkörnigen Mikrostruktur zu erzielen, in dem der Strichcode beziehungsweise das Strichcodemuster aus magnetisierten und entmagnetisierten Bereichen aufgebaut ist. Anders gesagt, kann das Muster die Form eines Strichcodes haben.It is also provided in a further embodiment of the invention that the magnetized and demagnetized areas are at least partially arranged in the at least one sensor area of the component to be manufactured in the form of a bar code pattern. Basically, the same sensory functionalities can be achieved as in a fine or coarse-grained microstructure in which the bar code or the bar code pattern is made up of magnetized and demagnetized areas. In other words, the pattern can be in the form of a bar code.

Ferner ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die jeweiligen Strichcodemuster derart in dem Bauteil angeordnet werden, sodass die jeweiligen Strichcodemuster in dem zumindest einen Sensorbereich des fertig hergestellten Bauteils auslesbar, insbesondere mittels einer externen Auslesevorrichtung, angeordnet sind, wobei der Sensorbereich als ein Belastungssensor (Zug/Druck/Biegung/Torsion), insbesondere als ein Zugbelastungssensor, verwendbar ist. Mit anderen Worten kann der Sensorbereich ausgelegt sein, um die Funktion eines Belastungssensors auszuführen beziehungsweise der Sensorbereich stellt an sich einen Belastungssensor dar. So ein Belastungssensor kann beispielsweise ein Zugbelastungssensor und/oder ein Druckbelastungssensor und/oder ein Biegungssensor und/oder ein Torsionssensor darstellen. Vorstellbar ist beispielsweise auch, dass mehrere für sich stehende Sensorbereiche in einem Bauteil vorgesehen sind, wobei der jeweilige Sensorbereich dann eine andere Funktion (Zug/Druck/Biegung/Torsion) inne hat. Somit ist sichergestellt, dass der Sensorbereich im Sinne der jeweiligen Funktion zuverlässig ausgelesen werden kann. Die gesonderten Bereiche, beziehungsweise der Abstand dieser Bereiche innerhalb des Sensorbereichs zueinander, verschieben sich, beispielsweise wenn eine Zugbelastung auf den so strukturierten Bereich aufgebracht wird. Durch eine Messung des Abstands, etwa mittels Wirbelstrommessung, vor und während der Belastung kann die Dehnung während der Belastung ermittelt werden. Auch kann die Kraft durch Ausnutzung des Hook'schen Gesetzes im elastischen Bereich ermittelt werden. Wenn sich das Bauteil beziehungsweise der Werkstoff oder generell das Material von dem Bauteil plastisch verformt, beispielsweise durch eine unzulässige Beanspruchung, kann dies auch nach Wegnahme der Belastung aufgrund der bleibenden Veränderung des Abstands der einzelnen Strichcodes noch detektiert werden. Es ist somit eine kostengünstige Herstellung beispielsweise von einem Zugbelastungssensor innerhalb des Bauteils möglich.Furthermore, it is provided in a further embodiment of the invention that the respective bar code patterns are arranged in the component such that the respective bar code patterns can be read out in the at least one sensor region of the finished component, in particular by means of an external readout device, the sensor region being a Load sensor (tension / pressure / bending / torsion), in particular as a tensile load sensor, can be used. In other words, the sensor area can be designed to carry out the function of a load sensor, or the sensor area itself represents a load sensor. Such a load sensor can represent, for example, a tensile load sensor and / or a pressure load sensor and / or a bending sensor and / or a torsion sensor. It is also conceivable, for example, that several stand-alone sensor areas are provided in one component, the respective sensor area then having a different function (tension / pressure / bending / torsion). This ensures that the sensor area can be reliably read out in terms of the respective function. The separate areas, or the distance between these areas within the sensor area, shift, for example when a tensile load is applied to the area structured in this way. By measuring the distance, for example by means of eddy current measurement, before and during the load, the elongation during the load can be determined. The force can also be determined in the elastic range by using Hook's law. If the component or the material or the material in general deforms plastically from the component, for example as a result of an impermissible load, this can still be detected even after the load has been removed due to the permanent change in the distance between the individual bar codes. It is therefore possible to produce, for example, a tensile load sensor within the component at low cost.

Schlussendlich ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Bauteil bereitgestellt wird, welches im 3D-Druck nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 hergestellt wird, wobei das Bauteil zumindest einen Sensorbereich aufweist. Die zuvor genannten Vorteile lassen sich auch mit dem vorgestellten Bauteil erreichen.Finally, it is provided in a further embodiment of the invention that a component is provided which is produced in 3D printing by the method according to claims 1 to 9, the component having at least one sensor area. The advantages mentioned above can also be achieved with the component presented.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless otherwise stated in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Energiequelle und eines im metallischen 3D-Druck hergestellten Bauteils mit einem Sensorbereich;
  • 2 eine Zuordnung von Bildern einer mittels SLM-Verfahren hergestellten Bauteilprobe zu jeweiligen Bereichen dieser schematisch dargestellten Bauteilprobe;
  • 3 eine Zuordnung einer Abbildung von gemessenen spezifischen Größen zu verschiedenen Bereichen der Bauteilprobe von 2.
The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of an energy source and a component produced in metallic 3D printing with a sensor area;
  • 2 an assignment of images of a component sample produced using the SLM method to respective areas of this schematically illustrated component sample;
  • 3 an assignment of a mapping of measured specific sizes to different areas of the component sample from 2 ,

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Energiequelle 10 und eines im metallischen 3D-Druck hergestellten Bauteils 12 mit einem Sensorbereich 14. Von der Energiequelle 10, welche beispielsweise eine Laserstrahlquelle sein kann, ausgehend wird mit Hilfe eines Energiestrahls 16 das Bauteil 12 schichtweise gefertigt. In der 1 ist der Energiestrahl 16, welcher zum Beispiel ein leistungsbezogen einstellbarer Laserstrahl sein kann, auf den Sensorbereich 14 gerichtet. Der Sensorbereich 14 weist dabei in der 1 zwei verschiedene Bereiche auf. Der erste Bereich 18 ist beispielsweise mit einer ersten Energieleistung behandelt worden, während ein zweiter Bereich 20 mit einer zweiten, sich von der ersten Energieleistung unterscheidenden, Energieleistung behandelt worden ist. Dabei ist der erste Bereich 18 in einem Übergangsbereich 22 scharf von dem zweiten Bereich 20 abgegrenzt. In diesem Übergangsbereich 22 wurde die Energiequelle 10 von der ersten Energieleistung auf eine zweite Energieleistung umgeschaltet, sodass sich die zwei Bereiche in dem Sensorbereich 14 ergeben. Der erste Bereich 18 könnte beispielsweise mit einer Energieleistung von 1.000 W Laserleistung hergestellt werden und der zweite Bereich 20 könnte beispielsweise mit einer Energieleistung von 400 W Laserleistung hergestellt werden. Durch diesen verschiedenen Eintrag der jeweiligen Energieleistung ergeben sich entsprechende fein- und grobkörnige Gefüge im zu bearbeitenden Ausgangsmaterial, welches verwendet wird, um das Bauteil herzustellen. So entsteht beispielsweise mit einer Laserleistung von 1.000 W ein sehr grobkörniges Gefüge und mit einer Laserleistung von 400 W ein feinkörniges Gefüge. 1 shows a schematic representation of an energy source 10 and a component produced in metallic 3D printing 12 with a sensor area 14 , From the energy source 10 , which can be a laser beam source, for example, with the help of an energy beam 16 the component 12 Made in layers. In the 1 is the energy beam 16 , which can be, for example, a power-related adjustable laser beam, on the sensor area 14 directed. The sensor area 14 points in the 1 two different areas. The first area 18 For example, has been treated with a first energy output while a second area 20 has been treated with a second energy performance that differs from the first energy performance. Here is the first area 18 in a transition area 22 sharp from the second area 20 demarcated. In this transition area 22 became the energy source 10 switched from the first energy output to a second energy output, so that the two regions are in the sensor region 14 result. The first area 18 could for example be produced with an energy output of 1,000 W laser power and the second area 20 could be produced with an energy output of 400 W laser power, for example. This different entry of the respective energy output results in corresponding fine and coarse-grained structures in the starting material to be processed, which is used to manufacture the component. For example, a laser power of 1,000 W creates a very coarse-grained structure and a laser power of 400 W creates a fine-grained structure.

2 zeigt eine Zuordnung von Bildern einer mittels SLM-Verfahren hergestellten Bauteilprobe 24 zu jeweiligen Bereichen dieser schematisch dargestellten Bauteilprobe 24. Die verschiedenen Bereiche der schematisch dargestellten Bauteilprobe 24 zeigen dabei die jeweils verwendeten Laserleistungen an. Zudem ist ein Strichcodemuster 26 dargestellt, welches die verschiedenen Bereiche repräsentiert. Die Zuordnung ist mit entsprechenden Pfeilen in der 2 illustriert, welche ausgehend von der Bauteilprobe 24 auf die einzelnen Bilder und das Strichcodemuster 26 verweisen. Das Strichcodemuster 26 ist bezogen auf die Bildebene oberhalb der Bauteilprobe 24 lediglich beispielhaft dargestellt und könnte auch eine Variation der gezeigten Striche 28 aufweisen. Die Bauteilprobe 24 selbst ist nur schematisch dargestellt und könnte beispielsweise ein Ausschnitt aus dem in 1 gezeigten Sensorbereich 14 sein. Die Bauteilprobe 24 ist in verschiedene Abschnitte unterteilt, wobei bezogen auf die Bildebene links ein Bereich mit 400 W, dann anschließend rechts daneben ein Bereich mit 1.000 W, dann anschließend rechts daneben ein weiterer Bereich mit 1.000 W zu erkennen ist. Diese Zuordnung der verschiedenen Leistungsbereiche stellt somit die eingesetzte Laserleistung während des Herstellungsverfahrens dar. Das erste Bild 30 zeigt dabei ein mit 1.000 W Laserleistung hergestelltes sehr grobkörniges Gefüge 32. Das zweite Bild 34 zeigt einen Übergangsbereich 22 von einem grobkörnigen Gefüge 32 zu einem feinkörnigem Gefüge 36. Das dritte Bild 38 zeigt ein feinkörniges Gefüge 36. Ein Unterschied im Gefüge des bearbeiteten Ausgangsmaterials könnte sich dabei auch auf ein defektfreies und ein defekthaltiges Gefüge innerhalb der Bauteilprobe 24 beziehen. Die dargestellte Bauteilprobe 24 kann beispielsweise mit einem SLM-Verfahren erstellt werden, wobei eine Variation der Laserleistung vorgenommen wird. Mit 1.000 W Laserleistung entsteht demnach ein sehr grobkörniges Gefüge 32, welches in dem ersten Bild 30 dargestellt wird, und mit 400 W Laserleistung entsteht ein feinkörniges Gefüge 36, welches in dem dritten Bild 38 dargestellt wird. 2 shows an assignment of images of a component sample produced using the SLM method 24 to respective areas of this schematically represented component sample 24 , The different areas of the schematically represented component sample 24 show the laser power used in each case. There is also a barcode pattern 26 shown, which represents the different areas. The assignment is with corresponding arrows in the 2 illustrates which based on the component sample 24 on the individual pictures and the barcode pattern 26 refer. The bar code pattern 26 is related to the image plane above the component sample 24 only shown as an example and could also be a variation of the lines shown 28 exhibit. The component sample 24 itself is only shown schematically and could for example be an excerpt from the in 1 shown sensor area 14 his. The component sample 24 is divided into different sections, with an area with 400 W on the left, then an area with 1,000 W on the right next to it, then another area with 1,000 W on the right. This assignment of the different power ranges thus represents the laser power used during the manufacturing process. The first image 30 shows a very coarse-grained structure made with 1,000 W laser power 32 , The second picture 34 shows a transition area 22 of a coarse-grained structure 32 to a fine-grained structure 36 , The third picture 38 shows a fine-grained structure 36 , A difference in the structure of the processed starting material could also affect a defect-free and a defect-containing structure within the component sample 24 Respectively. The component sample shown 24 can be created, for example, with an SLM method, whereby the laser power is varied. With 1,000 W laser power, a very coarse-grained structure is created 32 which in the first picture 30 is shown, and with 400 W laser power a fine-grained structure is created 36 which in the third picture 38 is pictured.

3 zeigt eine Zuordnung einer von gemessenen spezifischen Größen 42 zu verschiedenen Bereichen der Bauteilprobe 24 von 2. Da sich der spezifische Widerstand 42 von grobkörnigem Gefüge 32 und feinkörnigem Gefüge 36 beziehungsweise defektfreiem und defekthaltigem Gefüge unterscheidet, lassen sich diese Bereiche mittels Wirbelstromprüfung ortsaufgelöst bestimmen. Somit ist in der gezeigten 3 das spezifische Signal des mit 1.000 W hergestellten grobkörnigen Gefüges 32 anders als der des mit 400 W hergestellten feinkörnigen Gefüges 36. Es ist somit eine ortsaufgelöste Bestimmung der spezifischen Größen 42 möglich und es können Grenzen zwischen den beiden Bereichen und damit der Abstand der unterschiedlichen Gefüge definiert werden. 3 shows an assignment of a of measured specific sizes 42 to different areas of the component sample 24 of 2 , Because the specific resistance 42 of coarse-grained structure 32 and fine-grained structure 36 or defect-free and defect-containing structure, these areas can be determined in a spatially resolved manner using eddy current testing. Thus is shown in the 3 the specific signal of the coarse-grained structure made with 1,000 W. 32 different from that of the fine-grained structure made with 400 W. 36 , It is therefore a spatially resolved determination of the specific sizes 42 possible and limits between the two areas and thus the distance between the different structures can be defined.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Energiequelleenergy
1212
Bauteilcomponent
1414
Sensorbereichsensor range
1616
Energiestrahlenergy beam
1818
erster Bereichfirst area
2020
zweiter Bereichsecond area
2222
ÜbergangsbereichTransition area
2424
Bauteilprobecomponent sample
2626
StrichcodemusterBarcode pattern
2828
Strichstroke
3030
erstes Bildfirst picture
3232
grobkörniges Gefügecoarse-grained structure
3434
zweites Bildsecond picture
3636
feinkörniges Gefügefine-grained structure
3838
drittes Bildthird picture
4040
Abbildung von gemessenen WiderständenIllustration of measured resistances
4242
spezifischer Widerstandspecific resistance

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen (12), insbesondere von Bauteilen (12) für die Verwendung in der Fahrzeugindustrie, im metallischen 3D-Druck mit zumindest einem Sensorbereich (14) umfassend die folgenden Schritte: Auftragen von Materialschichten aus zumindest einem Ausgangsmaterial, Behandeln des Ausgangsmaterials mit zumindest einer Energiequelle (10) während und/oder nach dem Auftragen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest einer gezielten Parametervariation des Verfahrens eine gezielte Beeinflussung des behandelten Ausgangsmaterials in zumindest zwei Richtungen in dem zumindest einen Sensorbereich (14) erreicht wird, sodass sich bereichsweise eine jeweilige spezifische Mikrostruktur oder eine spezifische Defektdichte in dem behandelten Ausgangsmaterial ortsgenau einstellt.Method for producing components (12), in particular components (12) for use in the automotive industry, in metallic 3D printing with at least one sensor area (14) comprising the following steps: applying material layers from at least one starting material, treating the starting material with at least one energy source (10) during and / or after the application, characterized in that by means of at least one targeted parameter variation of the method, the treated starting material is influenced in at least two directions in the at least one sensor area (14), so that there are areas sets a respective specific microstructure or a specific defect density in the treated starting material. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bereichsweise jeweilige spezifische Mikrostruktur oder die jeweilige spezifische Defektdichte zumindest teilweise in dem zumindest einen Sensorbereich (14) des zu fertigenden Bauteils (12) in Form eines Strichcodemusters (26) angeordnet wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the specific microstructure or the specific defect density is arranged at least partially in the at least one sensor region (14) of the component (12) to be manufactured in the form of a bar code pattern (26). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (10) eine Laserstrahlquelle ist. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the energy source (10) is a laser beam source. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die gezielte Parametervariation auf eine eingebrachte Energieleistung in das zumindest eine Ausgangsmaterial und/oder einen Vorschub der Energiequelle (10) bezieht.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the targeted parameter variation relates to an energy output introduced into the at least one starting material and / or a feed of the energy source (10). Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebrachte Energieleistung zumindest auf zwei Werte eingestellt wird, insbesondere auf 1.000 W und auf 400 W.Procedure according to one of the Claims 3 and 4 , characterized in that the energy input is set to at least two values, in particular 1,000 W and 400 W. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiterer Verfahrensparameter variiert wird, wobei die weiteren Verfahrensparameter ausgewählt sind aus: Scangeschwindigkeit, Hatchabstand, Schichtstärke, Laserfokusposition und Strahlkaustik.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one further method parameter is varied, the further method parameters being selected from: scanning speed, hatching distance, layer thickness, laser focus position and beam caustic. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen spezifischen Mikrostrukturen im Wesentlichen eine identische Vorzugsorientierung im Gefüge des behandelten Ausgangsmaterials bezogen auf eine Magnetisierung aufweisen und dass in einem nachfolgenden Wärmebehandlungsschritt bereichsweise magnetisierte und entmagnetisierte Bereiche in dem behandelten Ausgangsmaterial angeordnet werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the respective specific microstructures essentially have an identical preferred orientation in the structure of the treated starting material with respect to magnetization and that in a subsequent heat treatment step magnetized and demagnetized areas are arranged in regions in the treated starting material. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisierten und entmagnetisierten Bereiche zumindest teilweise in dem zumindest einen Sensorbereich (14) des zu fertigenden Bauteils (12) in Form eines Strichcodemusters (26) angeordnet werden.Procedure according to Claim 7 , characterized in that the magnetized and demagnetized areas are at least partially arranged in the at least one sensor area (14) of the component (12) to be manufactured in the form of a bar code pattern (26). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Strichcodemuster (26) derart in dem Bauteil (12) angeordnet werden, sodass die jeweiligen Strichcodemuster (26) in dem zumindest einen Sensorbereich (14) des fertig hergestellten Bauteils (12) auslesbar, insbesondere mittels einer externen Auslesevorrichtung, angeordnet sind, wobei der Sensorbereich (14) als ein Belastungssensor, insbesondere als ein Zugbelastungssensor, verwendbar ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the respective bar code patterns (26) are arranged in the component (12) such that the respective bar code patterns (26) can be read out in the at least one sensor region (14) of the finished component (12) , in particular by means of an external readout device, the sensor area (14) being usable as a load sensor, in particular as a tensile load sensor. Bauteil (12), hergestellt im 3D-Druck nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, wobei das Bauteil (12) zumindest einen Sensorbereich (14) aufweist.Component (12), produced in 3D printing using the method according to Claims 1 to 9 The component (12) has at least one sensor area (14).
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