DE102021101846A1

DE102021101846A1 - Verfahren für die generative fertigung von bauteilen

Info

Publication number: DE102021101846A1
Application number: DE102021101846.3A
Authority: DE
Inventors: Samuel Mann; Lukas Oster; Uwe Reisgen; Rahul Sharma
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-07-28
Also published as: EP4284579A1; WO2022161566A1; US20240033827A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die generative Fertigung von Bauteilen, wobei das Verfahren das Aufschmelzen eines metallischen Zusatzwerkstoffs (1) entlang einer Trajektorie (2) auf einem Substrat (3) aufweist, wobei ein Bauteil (4) schichtweise auf dem Substrat (3) aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (4) während des Aufbaus einer Schicht oder anschließend an den Aufbau einer Schicht und vor dem Aufbau einer weiteren Schicht abhängig von mindestens einem an einem bestimmten Ort auf der Schicht mit einem Sensor (5) erfassten ortsaufgelösten Temperaturmesswert oder einer aus einer Mehrzahl dieser nacheinander an dem Ort erfasster Temperaturmesswerte abgeleiteten Abkühlkurve durch einen gerichteten Fluidstrahl (6) ortsselektiv temperiert wird. Dies ermöglicht die ortsaufgelöste Abschätzung der mechanischen Eigenschaften des Bauteils.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren für die generative Fertigung von Bauteilen, wobei das Verfahren das Aufschmelzen eines metallischen Zusatzwerkstoffs entlang einer Trajektorie auf einem Substrat aufweist, wobei ein Bauteil schichtweise auf dem Substrat aufgebaut wird. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der WO 2018/228919 A1 bekannt.
Die DE 10 2015 122 889 B3 beschreibt ein Verfahren und eine Messanordnung für die zerstörungsfreie Abschätzung der Zugfestigkeit eines geschweißten Werkstoffs, der zumindest ein ferritisches Gefüge aufweist. Die Messvorrichtung zum Bestimmen der Zugfestigkeit weist eine Energiequelle zum Aufschmelzen eines metallischen Zusatzwerkstoffs, eine Temperaturmesseinheit zum Messen eines Temperatur-Zeit-Verlaufs des aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoffs und eine Auswerteinheit zum Bestimmen der Umwandlungsstarttemperatur für eine ferritische oder bainitische Gefügeumwandlung des Zusatzwerkstoffs sowie zum Anwenden einer Regressionsgeraden zum Bestimmen der Zugfestigkeit des aufgeschweißten Zusatzwerkstoffs auf.
Aus der DE 10 2015 108 131 A1 ist ein weiteres Verfahren für die additive Fertigung bekannt, bei dem der Schweißprozess mittels Sensoren überwacht wird, wobei mittels erfasster Sensordaten die Schweißparameter des Schweißprozesses derart beeinflusst werden sollen, dass die Wärmeabfuhr aus einem aufgeschmolzenen Zusatzwerkstoff an einem Bearbeitungspunkt konstant gehalten wird, wodurch bei verkürzten Fertigungszeiten die Gefügestruktur des Formkörpers verbessert und Eigenspannungen reduziert werden sollen.
Die EP 3 359 320 B1 beschreibt ein weiteres Verfahren für die additive Fertigung, bei dem ein Kühlfluid benachbart zu dem Generierwirkort auf der Oberfläche des Substrates über eine Düse bereitgestellt wird, wobei die Fluidzuführung eine Mehrzahl Düsen aufweist, die ringförmig um eine Werkstoffzuführung angeordnet sind, wobei der Fluidvolumenstrom jeder Düse einzeln ansteuerbar ist.
Ein weiteres additives Fertigungsverfahren ist aus der EP 3 646 967 A1 bekannt, bei dem ein Kühlfluidvolumenstrom, mit dem ein Substrat zumindest teilweise beaufschlagt wird, derart nachgeregelt wird, dass eine zur Erreichung bevorzugter Materialeigenschaften eines aufgebauten Bauteils erforderliche Wärmeableitung eines Zusatzwerkstoffs erreicht wird.
Auch die EP 3 581380 A2 beschreibt ein Verfahren für die Prozessüberwachung bei der additiven Fertigung, um die Vorhersagbarkeit der Materialeigenschaften eines aufgebauten Bauteils zu verbessern.
Die WO 2017/059842 A1 beschreibt ein Bearbeitungsmodul für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, wobei das Bearbeitungsmodul eine Werkstoffzuführungseinrichtung sowie eine Schutzgaszuführungseinrichtung aufweist, die eine oder mehrere ringförmig um die Werkstoffzuführungseinrichtung angeordnete Auströmöffnungen aufweist, über die ein Kühlfluid unmittelbar neben dem Generierwirkort auf eine Oberfläche des Formkörpers aufgebracht wird.
Das Wire Arc Additive Manufacturing ist ein Hochleistungsverfahren zur additiven Fertigung von metallischen Bauteilen, das die Realisierung hoher Auftragraten ermöglicht. Mit der hohen Fertigungsgeschwindigkeit geht eine starke Wärmeeinbringung in das Bauteil einher. Je nach verarbeitetem Werkstoff kann die hohr Wärmeeinbringung eine deutliche Verschlechterung der mechanischtechnologischen Werkstoffeigenschaften mit sich bringen. Daher ist eine präzise Prozessüberwachung zur Sicherung der Bauteileigenschaften von besonderer Bedeutung. Bekannte Ansätze zielen zwar auf die Temperaturüberwachung mittels einer Thermokamera oder eines Pyrometers ab, weisen jedoch eine nur unzureichende Genauigkeit auf, da ausschließlich globale Temperaturen des aufgebauten Bauteils erfasst werden. Hierbei werden üblicherweise Thermokameras verwendet, die Temperaturinformationen liefern, deren Qualität nicht ausreicht, um eine Aussage über die mechanischen Eigenschaften zu treffen.
Daher ist die Temperierung des aufgebauten Bauteils bei der additiven Fertigung ein wesentlicher Faktor für die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch Reduktion der Produktionszeiten. Dabei steht die Ableitung überschüssiger Wärme aus dem Bauteil im Vordergrund. Darüber hinaus bilden sich über das Werkstück unterschiedliche Temperaturgradienten aus, die zu inhomogenen Werkstoffeigenschaften über das Bauteilvolumen führen. Die Ursachen liegen in Materialanhäufungen, aber auch in der Pfadplanung oder in variierenden Randbedingungen für die Wärmeableitung, beispielsweise in Folge einer inhomogenen Kühlung durch Kühlmedien oder Kühlplatten.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die additive Fertigung vorzuschlagen, welches bei hohen Auftragraten und damit kurzen Prozesszeiten ebenso die Einhaltung bevorzugter Materialeigenschaften vorzugsweise über das gesamte Bauteilvolumen erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs ₁ gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen jeweils vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Demgemäß ist vorgesehen, dass das Bauteil durch einen gerichteten Fluidstrahl ortsselektiv temperiert wird, entweder während des Aufbaus einer Schicht oder anschließend an den Aufbau einer ersten Schicht und vor dem Aufbau einer weiteren, zweiten Schicht auf der ersten Schicht. Die Temperierung soll abhängig entweder von mindestens einem an einem bestimmten Ort auf der Schicht mit einem Sensor erfassten ortsaufgelösten Temperaturmesswert oder von einer Abkühlkurve erfolgen, die aus einer Mehrzahl nacheinander an dem Ort erfasster Temperaturmesswerte abgeleitet wird. Das Temperieren kann das Erwärmen und das Kühlen aufweisen. Das Verfahren kann insbesondere im Rahmen einer lichtbogenbasierten additiven Fertigung angewendet werden, beispielsweise in Anwendung eines Wire Arc Additive Manufacturing-Verfahrens (WAAM). Insbesondere kann das Aufbauen der ersten Schicht und/oder das Aufbauen der weiteren Schicht auf der ersten Schicht das Durchführen eines WAAM-Verfahrens aufweisen.
Die ortsselektive Temperierung kann mit Hilfe mindestens einer beweglichen Temperierdüse oder mit Hilfe einer Vielzahl unterschiedlich in Bezug auf das zu temperierende Bauteil ausgerichteter Temperierdüsen, welche selektiv angesteuert werden können, bereitgestellt sein. Das Temperieren kann beispielweise dann das Erwärmen des Bauteils umfassen, wenn aufgrund einer vergleichsweise hohen äußeren Oberfläche des Bauteils in Bezug auf das Volumen des Bauteils die Wärmeableitung an die Umgebungsluft höher ist, als dies für die Abkühlung zur Erzielung gewünschter Materialeigenschaften gewünscht ist. Wo und in welcher Intensität das Bauteil, insbesondere die aufgebaute Schicht gekühlt beziehungsweise erwärmt wird, kann anhand unterschiedlichster Parameter beziehungsweise unter Verwendung unterschiedlichster Temperiermodelle erreicht werden. Dabei kann die ortsaufgelöste Temperaturermittlung des Bauteils bzw. der zuletzt oder aktuell aufgebauten Schicht mit Hilfe einer Wärmebildkamera oder eines Pyrometers erfolgen.
Der Temperierbedarf kann auch durch eine geeignete Pfadplanung der Energiequelle beeinflusst werden. Mit Hilfe der Pfadplanung kann auf Materialanhäufungen geschlossen werden. Schließlich kann ein hinterlegtes empirisches Expertenmodell dazu verwendet werden, den Temperierbedarf zu ermitteln. Wie es grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt ist, kann zur Einhaltung der Werkstoffeigenschaften auf zeitliche Kenngrößen wie die t8/5-Zeit zurückgegriffen werden. Mit Hilfe des zuvor beschriebenen Verfahrens können die Werkstoffeigenschaften des aufgebauten Bauteils gezielt gesteuert und Materialversagen verhindert werden. Die Verwendung von Temperierfluiden erlaubt es, in einem sicheren Abstand zum additiven Werkzeug bereits während des Fertigungsprozesses in-situ zu kühlen. Der Temperiervorgang ist daher effektiver und damit ressourcensparender, insbesondere in Bezug auf das verbrauchte Temperiermedium.
Das Temperierten kann das Verdüsen eines Kühlmediums aufweisen, etwa zur Erzeugung eines Aerosols. Das verdüste Temperiermedium kann einer Fokussierung unterzogen werden, um eine weitere Präzisierung des von dem Temperiermedium beaufschlagten Ortes auf dem Bauteil bzw. auf der aufgebauten Schicht zu erreichen. Beispielsweise kann das Temperiermedium durch eine Düse geleitet werden, die an ihrem Innenumfang eine sich um die Durchlassrichtung der Düse spiralförmig erstreckende Nut aufweist. Bei dem Hindurchleiten des Temperiermediums durch die Düse erfährt das Temperiermedium nur an seinem Außenumfang einen Drall um seine Propagationsrichtung, welcher einer Divergenz des Fluidstrahls entgegenwirkt bzw. zu einer Kompaktierung des Fluidstrahls führt.
Der mindestens eine ortsaufgelöst erfasste Temperaturmesswert und/oder die Abkühlkurve kann/können gleichzeitig oder nacheinander an unterschiedlichen Orten der Schicht erfasst und aus den erfassten Temperaturmesswerten oder aus den Abkühlkurven können eine Temperaturverteilung und/oder ein Temperaturgradient entlang einer Oberfläche der Schicht ermittelt werden. Mit Hilfe der ortsaufgelösten Bestimmung von Abkühlkurven des aufgebauten Bauteils kann eine sichere lokale Vorhersage der Zugfestigkeit auch bei der additiven Verarbeitung niedrig legierter Stähle erreicht werden.
Bei dem ortsselektiven Temperieren kann abhängig von dem ortsaufgelöst erfassten Temperaturmesswert, oder von der Abkühlkurve, oder von einem daraus abgeleiteten Temperaturgradient entlang einer Oberfläche der Schicht ein Volumenstrom des Fluidstrahls eingestellt werden.
Während des ortsselektiven Temperierens können kontinuierlich oder periodisch weitere Temperaturmesswerte und/oder eine Abkühlkurve an dem temperierten Ort der Schicht erfasst werden. Dabei kann eine Kühl- oder Heizleistung des Fluidstrahls in Bezug auf die Schicht durch Variation eines Volumenstroms des Fluidstrahls abhängig von den weiteren Temperaturmesswerten und/oder der Abkühlkurve in-situ nachgeregelt werden.
Zeitgleich kann an mehreren voneinander verschiedenen Orten auf der Schicht der mindestens eine Temperaturmesswert und/oder die Abkühlkurve ermittelt werden. Aus einer Differenz der Temperaturmesswerte benachbarter Orte auf der Schicht und/oder aus der Differenz der Abkühlkurve benachbarter Orte auf der Schicht kann auf einen Wärmestrom innerhalb der Schicht zwischen den Orten geschlossen werden. Bei dem ortsselektiven Temperieren kann eine Kühl- oder Heizleistung des Fluidstrahls auch danach ausgewählt werden, dass der Wärmestrom innerhalb der Schicht bzw. des Bauteils minimiert wird.
Das Temperieren kann das ortsselektive Beaufschlagen des Bauteils mit einem Fluidstrahl aufweisen. Dabei kann das Temperieren vorzugsweise weiterhin das Verdüsen eines flüssigen oder festen Temperiermediums aufweisen, wobei vorzugsweise ein das Temperiermedium enthaltenes Aerosol gebildet wird. Beispielsweise kann das Bauteil beziehungsweise die zuletzt aufgebaute Schicht durch Aerosole und/oder einen Flüssigkeits-, Gas- oder Festkörperstrahl gekühlt beziehungsweise erwärmt werden. Dabei kann ein endothermer Phasenübergang von Schwebeteilchen in dem Fluid, beispielsweise in Aerosolpartikeln des Aerosols, erfolgen, zum Beispiel von flüssig nach gasförmig. Zusätzlich kann Wärmeübertragung durch Konduktion von Wärme aus dem Bauteil in Aerosolpartikel erfolgen.
Die Temperierung, das heißt die Beaufschlagung des Bauteils beziehungsweise der Schicht mit dem gerichteten Fluidstrahl kann unabhängig von einer Bewegung des additiven Werkzeugs bzw. der Energiequelle während des Aufbauprozesses erfolgen, wodurch ein wirtschaftlicher Vorteil erzielt wird. Demgegenüber sind im Stand der Technik insbesondere globale Kühlungen über Gase oder immersive Flüssigkeitskühlungen des Werkstücks vorgesehen.
Demgemäß kann das Temperieren das ortsselektive Beaufschlagen des Bauteils mit einem Aerosol-, Flüssigkeits,- Gas- oder Festkörperstrahl aufweisen, der einen Materialbestandteil aufweist, der einen endothermen Phasenübergang erfährt und/oder durch Wärmeleitung erwärmt oder abgekühlt wird, wenn er bei dem Beaufschlagen auf das Bauteil trifft.
Das Temperieren kann das Ausrichten mindesten eines Temperiermediumauslasses, vorzugsweise einer Düse, einer Temperiermediumquelle auf einen zu kühlenden oder zu erwärmenden Abschnitt des Bauteils aufweisen. Dazu kann die Temperiermediumquelle relativ zu und beabstandet von dem Bauteil sowie unabhängig von einer Energiequelle für das Aufschmelzen des metallischen Zusatzwerkstoffs und/oder unabhängig von dem Sensor bewegt werden.
Das Temperieren kann das selektive Aktivieren eines oder mehrere einer Vielzahl Temperiermediumauslässe einer Temperiermediumquelle aufweisen, wozu die Vielzahl Temperiermediumauslässe statisch um das Bauteil herum und dem Bauteil zugewandt angeordnet sind.
Eine Kühlleistung zur Kühlung des Ortes auf der Schicht, an dem mit dem Sensor ortsaufgelöst der Temperaturmesswert erfasst wird, oder eines den Ort umfassenden Abschnitts des Bauteils beziehungsweise eine Heizleistung zur Erwärmung des Ortes oder des Abschnitts des Bauteils kann durch eine Variation des Temperiermediumvolumenstroms, welcher das Bauteil beaufschlagt, erfolgen. Dabei kann der Temperiermediumvolumenstrom derart eingestellt werden, dass die aus den ortsaufgelösten Temperaturwerten abgeleitete Abkühlkurve einer gewünschten Abkühlkurve angenähert wird.
Das Substrat bzw. das Bauteil kann relativ zu einer feststehenden Energiequelle für das Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs entlang der Trajektorie bewegt werden. Die kinematische Bauteilbewegung kann bei feststehender Energiequelle und vorzugsweise ebenfalls feststehendem Sensor, beispielsweise einem Pyrometer, dazu verwendet werden, ein festes räumliches Verhältnis zwischen der Trajektorie und dem Ort auf der Schicht, an dem die orstaufgelöste Temperaturmessung durchgeführt wird, zu erhalten.
Demgemäß kann vorgesehen sein, dass das Substrat beziehungsweise das Bauteil auf einer komplexen Trajektorie unter der Energiequelle bewegt wird. Hierdurch wird ermöglicht, dass mittels des Sensors, beispielsweise eines Pyrometers, unter gleichbleibenden Randbedingungen ortsaufgelöst Abkühlkurven erfasst werden können. Durch eine Verknüpfung der Bewegungsinformationen der Energiequelle mit den ermittelten Abkühlkurven kann eine ortsaufgelöste Gradientenkarte erstellt und aus dieser können die mechanischen Eigenschaften des erzeugten Bauteils ortsaufgelöst ermittelt werden. Es wird somit die Bestimmung der Zugfestigkeitsverteilung eines erzeugten Bauteils über dessen gesamtes Volumen während dessen Erzeugung, mithin in-situ, etwa zum Zwecke der Qualitätssicherung und der Abschätzung der Struktureigenschaften vorgeschlagen.
Alternativ kann bei statischer Energiequelle und relativ zu der Energiequelle bewegtem Substrat bzw. Bauteil durch die Verknüpfung der Bewegungsinformation des Bauteils in Bezug auf Energiequelle mit den ermittelten Abkühlkurven eine ortsaufgelöste Gradientenkarte erzeugt und aus dieser können die mechanischen Eigenschaften des Bauteils lokal aufgelöst abgeleitet werden.
Das Substrat kann weiterhin relativ zu mindestens einem feststehenden Sensor für die ortsaufgelöste Erfassung mindestens einer Eigenschaft, vorzugsweise einer Temperatur, einer zuletzt aufgebauten Schicht des Bauteils entlang der Trajektorie bewegt werden.
Der Sensor kann bei einer festen relativen Anordnung zu der Energiequelle gehalten werden, vorzugsweise unter einem festen, spitzen Winkel und/oder zu der Energiequelle, wobei das Substrat in Bezug auf die Energiequelle und den Sensor unter Beibehaltung der festen relativen Anordnung zwischen der Energiequelle und dem Sensor entlang der Trajektorie bewegt wird.
Das Verfahren kann weiterhin das punktuelle Erfassen mindestens eines Messwerts, etwa des Temperaturmesswerts, an mindestens einem Messpunkt auf der zuletzt aufgebauten Schicht mit dem Sensor aufweisen. Dabei werden vorzugsweise für mehrere Messwert-Messpunkt-Paare dieselbe relative Anordnung zwischen dem jeweiligen Messpunkt auf der Schicht und einem jeweiligen Schmelzbad des Zusatzwerkstoffs für den Aufbau der Schicht eingehalten. Beispielsweise kann dazu der Sensor in Bezug auf eine Energiequelle fest angeordnet sein und dazu vorzugsweise denselben Vorschub entlang der Trajektorie wie die Energiequelle aufweisen.
Eine Vielzahl der Messwerte kann an einer entsprechenden Vielzahl Messpunkte auf dem aufgebauten Bauteil erfasst werden, wobei vorzugsweise je Messpunkt jeweils mindestens ein Messwert erfasst wird. Aus der Vielzahl Messwerte kann eine ortsaufgelöste Messwertkurve entlang der Trajektorie, beispielsweise mittels einer Regressionsanalyse, erzeugt werden.
Mit dem Sensor kann die Temperatur des aufgebauten Bauteils an mindestens einem Messpunkt auf dem aufgebauten Bauteil erfasst werden. Dabei kann aus der Temperatur an dem Messpunkt, einem Abstand des Messpunkts zu einem Schmelzbad entlang der Trajektorie sowie einer Vorschubgeschwindigkeit der Energiequelle entlang der Trajektorie ein Temperaturgradient entlang der Trajektorie bestimmt werden.
Der für den Sensor bei dem Ermitteln des Messwerts kann ein Sensor für die gerichtete, berührungslose Temperaturmessung, beispielsweise ein Pyrometer, verwendet werden, mit dem eine ortsaufgelöste Abkühlkurve der zuletzt aufgebauten Schicht des Bauteils ermittelt wird.
Das Verfahren kann weiterhin das Manipulieren der Trajektorie und/oder mindestens eines Prozessparameters für das Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs und/oder für das schichtweise Aufbauen des Bauteils aufweisen. Das Manipulieren kann dazu eingerichtet sein, die ermittelte Abkühlkurve einer bevorzugten Abkühlkurve anzugleichen oder weiter anzunähern, um eine bevorzugte Materialeigenschaft einzustellen.
An einer Vielzahl Messpunkte auf der zuletzt aufgebauten Schicht und/oder auf einer Mehrzahl nacheinander aufeinander aufgebauter Schichten kann jeweils eine ortsaufgelöste Abkühlkurve ermittelt werden. Dabei kann aus den ermittelten ortsaufgelösten Abkühlkurven eine ortsaufgelöste Abkühlgradientenkarte der Schicht beziehungsweise des Bauteils bestimmt und mindestens eine mechanische Eigenschaft der zuletzt aufgebauten Schicht beziehungsweise des Bauteils lokal aufgelöst bestimmt werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figuren erläutert. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 eine Detailansicht einer bespielhaften Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 ein Messpunktraster eines Sensors für die ortsselektive Erfassung von Temperaturmesswerten;
5 eine Abkühlgradientenkarte, die aus entlang eines Rasters nach 4 erfassten Temperaturmesswerten abgeleitet worden ist; und
6 eine anhand der Abkühlgradientenkarte gemäß 5 abgeleitete resultierende Verformung eines generativ gefertigten Bauteils.

Die 1 veranschaulicht in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens für die generative Fertigung von Bauteilen. Mit Hilfe einer Energiequelle 10 wird lokal auf einem Substrat 3 beziehungsweise auf einer auf dem Substrat zuvor aufgebrachten Werkstoffschicht ein Schmelzbad eines Zusatzwerkstoffs 1 erzeugt. Die Energiequelle 10 und eine Zusatzwerkstoffzufuhr (nicht dargestellt) werden entlang der Trajektorie 2 bewegt, um das Bauteil schichtweise beispielsweise entsprechend einer zuvor erzeugten CAD-Konstruktion aufzubauen. Alternativ können die Energiequelle 10 und die Zusatzwerkstoffzufuhr (nicht dargestellt) auch statisch und unter einer definierten Ausrichtung zueinander angeordnet sein und das Bauteil, mithin das Substrat 3, relativ zu der Energiequelle 10 und der Zusatzwerkstoffzufuhr bewegt werden. Dabei kann das Substrat 3 beziehungsweise das Bauteil 4 auf einer komplexen Trajektorie 2 unter der Energiequelle 10 bewegt werden. Hierdurch wird es ermöglicht, mittels eines Sensors 5, beispielsweise eines Pyrometers, unter gleichbleibenden Randbedingungen ortsaufgelöst Abkühlkurven zu erfassen.
Der gesamte Aufbauprozess wird mit einem Sensor 5 erfasst, der vorliegend als ein Pyrometer oder eine Wärmebildkamera ausgebildet ist. Das Pyrometer beziehungsweise die Wärmebildkamera ist dazu eingerichtet, ortsaufgelöst die Temperatur des Bauteils 4, zumindest jedoch der zuletzt aufgebauten Schicht des Bauteils 4 zu erfassen, um abhängig von der erfassten Temperaturverteilung beziehungsweise von ortsselektiv erfasster Abkühlkurven eine ortsselektive Temperierung der Schicht beziehungsweise des Bauteils 3 zu ermöglichen. Die Temperierung, insbesondere die Kühlung des Bauteils beziehungsweise der zuletzt aufgebrachten Schicht kann dazu eingerichtet sein, die mit Hilfe des Sensors 5 erfasste tatsächliche Abkühlkurve der Schicht beziehungsweise des Bauteils 3 einer in Bezug auf angestrebte Materialeigenschaften bevorzugte Abkühlkurve anzunähern. Alternativ oder zusätzlich kann angestrebt werden, die Abkühlkurven über das gesamte Bauteil hinweg einander anzunähern, sodass homogene Materialeigenschaften über den gesamten Bauteilkorpus erreicht werden. Beispielsweise kann abhängig von dem lokalen Oberflächen-Volumen-Verhältnis die natürliche Abkühlung durch freie Konvektion und Wärmestrahlung an die Umgebungsluft über das Volumen des Bauteils variieren, sodass durch gezielten Temperiereingriff die Abkühlkurven über den gesamten Bauteilkorpus hinweg einander angenähert werden können.
Für die Temperierung der Schicht beziehungsweise des Bauteils 3 ist mindestens eine Temperiermediumquelle 9 vorgesehen, die beispielsweise über einen Temperiermediumauslass 8, etwa eine Düse, eine temperierbedürftige Stelle auf dem Bauteil 3 mit einem gerichteten Fluidstrahl 6 beaufschlagen kann. Der gerichtete Fluidstrahl 6 kann als Temperiermedium 7 beispielsweise ein Aerosol aufweisen. Alternative Temperiermedien können Öle oder Ölemulsionen zur Anpassung des Siedepunkts des Temperiermediums aufweisen. Darüber hinaus können die Öle oder Ölemulsionen einen Korrosionsschutz für das Bauteil 4 darstellen. Zur Stabilisierung des Lichtbogens kann das Kühlmedium beispielsweise eine Kaliumlösung aufweisen, sodass das Temperiermedium neben seiner Temperiereigenschaft weiterhin zur Stabilisierung des Lichtbogens verwendet werden kann. Durch die Verwendung von Flussmitteln als Kühlmedium können Oxide auf der Schicht entfernt beziehungsweise der Einbrand geändert werden. Darüber hinaus ist die Verwendung anderer chemischer Additive denkbar, welche zu einer Änderung der Legierungszusammensetzung beim Überschweißen führen.
Bei der Verwendung eines Aerosols zur Temperierung, insbesondere zur Kühlung des Bauteils kann darauf abgezielt werden, die Verdampfungstemperatur zu erhöhen, damit die in dem Aerosol enthaltene Flüssigkeit näher an die Prozesszone herankommt und damit eine effektivere Wärmeübertragung von dem Bauteil an das Aerosol über die Verdampfungsenthalpie erreicht wird. Hierbei können beispielsweise Öl-Wasser-Emulsionen als Flüssigkeiten des Aerosols verwendet werden. Auch die Verwendung von Gasen kann aufgrund ihrer Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit dann vorteilhaft sein, wenn in unmittelbarer Nähe zum Schmelzbad temperiert, insbesondere gekühlt werden soll. Zur Vermeidung von Poren hat sich insbesondere die Verwendung Inertgasen als zweckmäßig herausgestellt. Bei der Temperierung verdampfendes Kühlmedium kann mit Hilfe einer Temperiermediumrückgewinnung 11 aufgenommen und nach einer Kondensierung für die Wiederverwendung in die Temperiermediumquellen 9 rezirkuliert werden.
Es kann inbesondere vorgesehen sein, dass das Substrat 3 relativ zu der Energiequelle 10 entlang der Trajektorie 2 bewegt wird, während die Energiequelle 10 feststehend ausgebildet ist. Auf diese Weise kann ein festes Verhältnis zwischen der Schweißtrajektorie 2 und einem Temperaturmesspunkt des Sensors 5 auf dem Bauteil 3 erreicht werden. Hierdurch können mittels des Sensors 5, der beispielsweise ein Pyrometer sein kann, unter gleichbleibenden Randbedingungen Abkühlkurven gemessen werden. Ein Machine-Learning-Algorithmus auf Basis eines vortrainierten neuronalen Netzes kann dazu verwendet werden, um aus den erfassten Informationen eine Abkühlkurve für einen werkstofflich relevanten Bereich des Bauteils 3 zu bestimmen. Durch die Verknüpfung der Bewegungsinformation des Bauteils unter der Energiequelle 10 mit den ermittelten Abkühlkurven kann eine ortsaufgelöste Gradientenkarte erzeugt und aus dieser können die mechanischen Eigenschaften des Bauteils lokal aufgelöst abgeleitet werden.
Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem abweichend von der Ausführungsform gemäß 1 die Temperiermediumquellen 9 statisch angeordnet und entsprechend eines ermittelten Temperierbedarfs angesteuert werden, um die Schicht ortsselektiv mit einem gerichteten Fluidstrahl 6 zu temperieren. Dazu kann einerseits vorgesehen sein, dass die Temperiermediumquellen 9 selektiv angesteuert werden und andererseits das Bauteil 3 beispielsweise von einem Knickarmroboter derart in Bezug auf mindestens eine der Temperiermediumquellen 9 bewegt werden, dass der Auslass 8 der Temperiermediumquelle 9 exakt einer temperierbedürftigen Stelle der zuletzt aufgebauten Schicht oder des Bauteils 3 zugewandt ist, sodass eine hochgenau ortsselektive Beaufschlagung des Bauteils beziehungsweise der Schicht mit dem gerichteten Fluidstrahl 6 möglich ist.
Die 3 zeigt eine Detailansicht eines bespielhaften Aufbaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schweißrichtung einer Energiequelle 10, beispielsweise eines Lichtbogen- oder eines Plasma-Lichtbogen-Schweißbrenners ist eine Temperiermediumquelle 9 angeordnet. Dabei ist die Temperiermediumquelle 9 unter einem spitzen Winkel zu der Energiequelle 10 dem Substrat 3 zugewandt und entgegen der Schweißrichtung ausgerichtet. Die Energiequelle 10 sowie die Temperiermediumquelle 9 sind unter einem starren Verhältnis zueinander angeordnet, insbesondere unter einem festen Winkel und einem festen Abstand zueinander. Beispielsweise können die Energiequelle 10 und die Temperiermediumquelle 9 an einem Endeffektor eines Knickarmrobotors fest zueinander angeordnet positioniert sein. Aufgrund der festen Anordnung der Temperiermediumquelle 9 in Bezug auf die Energiequelle 10 erfolgt die Beaufschlagung der zuletzt aufgebrachten Schicht beziehungsweise des Bauteils mit dem aus der Temperiermediumquelle 9 austretenden Temperiermedium bei gegebener Vorschubgeschwindigkeit der Anordnung aus Energiequelle 10 und Temperiermediumquelle 9 in Schweißrichtung unter einem konstanten zeitlichen Abstand, sodass prozesssicher die Beeinflussung der Temperatur der Schmelze beziehungsweise des erstarrenden Werkstoffs durch die Beaufschlagung der Temperiermediumquelle 9 eingestellt werden kann. Dies ermöglicht die präzise Beeinflussung der Abkühlkurve des aufgebrachten Materials und damit der Materialeigenschaften des Werkstoffs.
Die 4 bis 6 veranschaulichen einerseits ein Messraster, welches beispielsweise dasjenige eines Pyrometers sein kann, das als Sensor über die ortsaufgelöste Temperaturmessung auf der Oberfläche des aufgebrachten Bauteils, insbesondere einer zuletzt aufgebrachten Schicht verwendet werden kann. Mit Hilfe des Sensors kann entlang der Rasterpunkte kontinuierlich oder periodisch ein Temperaturmesswert erfasst werden, sodass an einem gegebenen Ort auf dem Bauteil beziehungsweise der zuletzt aufgebrachten Schicht aus einer Mehrzahl der einem jeweiligen Rasterpunkt zeitlich hintereinander erfassten Temperaturwerte einer Abkühlkurve bestimmt werden kann, aus welcher sich Rückschlüsse auf eine Materialeigenschaft des aufgebauten Werkstoffs ableiten lassen. Neben der Zugfestigkeit können sich auch Verspannungen innerhalb des Materials anhand einer aus den erfassten Abkühlkurven ermittelten Abkühlgradientenkarte gemäß 5 ableiten. Beispielsweise kann bei großvolumigen Bauteilen aufgrund der stärkeren Abkühlung im Oberflächenbereich des Bauteils im vergleich zur weiter im Inneren des Bauteils liegenden Bereichen anhand der sich daraus in der Abkühlgradientenkarte ergebenen Abweichungen der Abkühlgradienten eine mechanische Verspannung des Bauteils ermittelt werden. Ebenso können aus der Abkühlgradientenkarte Zugfestigkeitswerte über das Volumen des Bauteils verteilt ermittelt werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Zusatzwerkstoff
2: Trajektorie
3: Substrat
4: Bauteil
5: Sensor
6: Fluidstrahl
7: Temperiermedium
8: Temperiermediumauslass
9: Temperiermediumquelle
10: Energiequelle
11: Temperiermediumrückgewinnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/228919 A1 [0001]
DE 102015122889 B3 [0002]
DE 102015108131 A1 [0003]
EP 3359320 B1 [0004]
EP 3646967 A1 [0005]
EP 3581380 A2 [0006]
WO 2017/059842 A1 [0007]

Claims

Verfahren für die generative Fertigung von Bauteilen, wobei das Verfahren das Aufschmelzen eines metallischen Zusatzwerkstoffs (1) entlang einer Trajektorie (2) auf einem Substrat (3) aufweist, wobei ein Bauteil (4) schichtweise auf dem Substrat (3) aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (4) während des Aufbaus einer Schicht oder anschließend an den Aufbau einer Schicht und vor dem Aufbau einer weiteren Schicht abhängig von mindestens einem an einem bestimmten Ort auf der Schicht mit einem Sensor (5) erfassten ortsaufgelösten Temperaturmesswert oder einer aus einer Mehrzahl dieser nacheinander an dem Ort erfasster Temperaturmesswerte abgeleiteten Abkühlkurve durch einen gerichteten Fluidstrahl (6) ortsselektiv temperiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der mindestens eine ortsaufgelöst erfasste Temperaturmesswert oder die Abkühlkurve gleichzeitig oder nacheinander an unterschiedlichen Orten der Schicht erfasst und aus den erfassten Temperaturmesswerten oder aus den Abkühlkurven eine Temperaturverteilung und/oder ein Temperaturgradient entlang einer Oberfläche der Schicht ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem bei dem ortsselektiven Temperieren abhängig von dem ortsaufgelöst erfassten Temperaturmesswert, oder der Abkühlkurve, oder einem daraus abgeleiteten Temperaturgradient entlang einer Oberfläche der Schicht ein Volumenstrom des Fluidstrahls (6) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem während des ortsselektiven Temperierens kontinuierlich oder periodisch weitere Temperaturmesswerte und/oder eine Abkühlkurve an dem temperierten Ort der Schicht erfasst werden, wobei eine Kühl- oder Heizleistung des Fluidstrahls (6) in Bezug auf die Schicht durch Variation eines Volumenstroms des Fluidstrahls (6) abhängig von den weiteren Temperaturmesswerten und/oder der Abkühlkurve in-situ nachgeregelt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem zeitgleich an mehreren voneinander verschiedenen Orten auf der Schicht der mindestens eine Temperaturmesswert und/oder die Abkühlkurve ermittelt wird, wobei aus einer Differenz der Temperaturmesswerte benachbarter Orte auf der Schicht und/oder aus der Differenz der Abkühlkurve benachbarter Orte auf der Schicht auf einen Wärmestrom innerhalb der Schicht zwischen den Orten geschlossen wird, und wobei bei dem ortsselektiven Temperieren eine Kühl- oder Heizleistung des Fluidstrahls (6) danach ausgewählt wird, dass der Wärmestrom minimiert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Temperieren das ortsselektive Beaufschlagen des Bauteils (4) mit einem Fluidstrahl (6) aufweist, wobei das Temperieren vorzugsweise weiterhin das Verdüsen eines flüssigen oder festen Temperiermediums (7) aufweist, wobei vorzugsweise ein das Temperiermedium (7) enthaltenes Aerosol gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Temperieren das ortsselektive Beaufschlagen des Bauteils (4) mit einem Aerosol-, Flüssigkeits-, Gas- oder Festkörperstrahl aufweist, der einen Materialbestandteil aufweist, der einen endothermen Phasenübergang erfährt und/oder durch Wärmeleitung erwärmt wird, wenn er bei dem Beaufschlagen auf das Bauteil (4) trifft.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Temperieren das Ausrichten mindestens eines Temperiermediumauslasses (8), vorzugsweise einer Düse, einer Temperiermediumquelle (9) auf einen zu kühlenden oder zu erwärmenden Abschnitt des Bauteils (4) aufweist, wozu die Temperiermediumquelle (9) relativ zu und beabstandet von dem Bauteil (4) sowie unabhängig von einer Energiequelle (10) für das Aufschmelzen des metallischen Zusatzwerkstoffs (1) und/oder von dem Sensor (5) bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Temperieren das selektive Aktivieren eines oder mehrerer einer Vielzahl Temperiermediumauslässe (8) einer Temperiermediumquelle (9) aufweist, wozu die Vielzahl Temperiermediumauslässe (8) statisch um das Bauteil (4) herum und dem Bauteil (4) zugewandt angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem eine Kühlleistung zur Kühlung des Ortes oder eines den Ort umfassenden Abschnitts des Bauteils (4) oder eine Heizleistung zur Erwärmung des Ortes oder des Abschnitts des Bauteils (4) durch eine Variation des Temperiermediumvolumenstroms, welcher das Bauteil (4) beaufschlagt, eingestellt wird, derart, dass die aus den ortsaufgelösten Temperaturwerten abgeleitete Abkühlkurve einer gewünschten Abkühlkurve angenähert wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Substrat (3) relativ zu einer feststehenden Energiequelle (10) für das Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs (1) entlang der Trajektorie (2) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Substrat (3) weiterhin relativ zu mindestens einem feststehenden Sensor (5) für die ortsaufgelöste Erfassung mindestens einer Eigenschaft, vorzugsweise einer Temperatur, einer zuletzt aufgebauten Schicht des Bauteils (4) entlang der Trajektorie (2) bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der Sensor (5) bei einer festen relativen Anordnung zu der Energiequelle (10) gehalten wird, vorzugsweise unter einem festen, spitzen Winkel und/oder Abstand zu der Energiequelle (10), wobei das Substrat (3) in Bezug auf die Energiequelle (10) und den Sensor (5) unter Beibehaltung der festen relativen Anordnung zwischen der Energiequelle (10) und dem Sensor (5) entlang der Trajektorie (2) bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, das das punktuelle Erfassen mindestens eines Messwert, etwa des Temperaturmesswerts, an mindestens einem Messpunkt auf der zuletzt aufgebauten Schicht mit dem Sensor (5) aufweist, wobei vorzugsweise für mehrere Messwert-Messpunkt-Paare dieselbe relative Anordnung zwischen dem jeweiligen Messpunkt auf der Schicht und einem jeweiligen Schmelzbad des Zusatzwerkstoffs (1) für den Aufbau der Schicht eingehalten wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem eine Vielzahl der Messwerte an einer entsprechenden Vielzahl Messpunkte auf dem aufgebauten Bauteil (4) erfasst werden, und wobei aus der Vielzahl Messwerte eine ortsaufgelöste Messwertkurve entlang der Trajektorie (2), beispielsweise mittels einer Regressionsanalyse, erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem mit dem Sensor (5) die Temperatur des aufgebauten Bauteils (4) an mindestens einem Messpunkt auf dem aufgebauten Bauteil (4) erfasst wird, wobei aus der Temperatur an dem Messpunkt, einem Abstand des Messpunkts zu einem Schmelzbad entlang der Trajektorie (2) sowie einer Vorschubgeschwindigkeit der Energiequelle (10) entlang der Trajektorie (2) ein Temperaturgradient entlang der Trajektorie (2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem bei dem Ermitteln als der Sensor (5) ein Sensor (5) für die gerichtete, berührungslose Temperaturmessung, beispielsweise ein Pyrometer, verwendet wird, mit dem eine ortsaufgelöste Abkühlkurve der zuletzt aufgebauten Schicht des Bauteils (4) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, das das Manipulieren der Trajektorie (2) und/oder mindestens eines Prozessparameters für das Aufschmelzens des Zusatzwerkstoffs (1) und/oder für das schichtweise Aufbauen des Bauteils (4) aufweist, das darauf gerichtet ist, die ermittelte Abkühlkurve einer bevorzugten Abkühlkurve anzugleichen oder weiter anzunähern.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem an einer Vielzahl Messpunkten auf der zuletzt aufgebauten Schicht und/oder auf einer Mehrzahl nacheinander aufeinander aufgebauter Schichten jeweils eine ortsaufgelöste Abkühlkurve ermittelt wird, wobei aus den dabei ermittelten ortsaufgelösten Abkühlkurven eine ortsaufgelöste Abkühlgradientenkarte der Schicht bzw. des Bauteils (4) bestimmt und mindestens eine mechanische Eigenschaft der zuletzt aufgebauten Schicht bzw. des Bauteils (4) lokal aufgelöst bestimmt wird.