VERFAHREN UNDVORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG EINESWERKSTÜCKES MITTELS EINESADDITIVEN FERTIGUNGSPROZESSES

Im additiven Fertigungsverfahren, sowie beim Schweißen, sind Poren eine der meistaufkommenden Anomalien in Bauteilen und in Schweißnähten. Die Porosität verringert die Gesamtdichte der hergestellten Teile und reduziert die mechanischen Eigen- schaften wie zum Beispiel die Zugfestigkeit der hergestellten Komponenten. Daher versucht man, die Porosität immer mög- lichst gering zu halten. Poren sind Gaseinschlüsse im Materi- alvolumen, welche hauptsächlich durch eine zu schnelle Ver- festigung des Materials oder durch Wassterstoffeinschlüsse erfolgen. Sobald die Porosität in einem gewissen Bereich des Bauteils einen Grenzwert überschreitet, weist es nicht mehr die nötigen mechanischen Eigenschaften auf und ist damit als Ausschuss anzusehen. Dies wird bisher immer erst nach der An- fertigung eines Bauteils festgestellt, was die Produktkosten durch eine entsprechende Ausschussquote signifikant steigern kann. Da additiv gefertigte Bauteile oft in kleinen Losgrößen hergestellt werden, steigen die Kosten bei Ausschuss hierbei noch überproportional an.

Vor allem Aluminium ist für eine hohe Porosität anfällig, da das Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wodurch es sehr schnell erstarrt und die Gaseinschlüsse nicht aus dem Schmelzbad entweichen können. Gaseinschlüsse sind charakte- ristisch für Lichtbogen-Drahtschweißverfahren, die im Engli- schen „Gas Metal Arc Welding" GMAW genannt werden. Das addi- tive Fertigungsverfahren ist das sogenannte „Wire-Arc- Additive-Manufacturing" WAAM, welches auf GMAW basiert. Die Poren können durch eingebrachtes Schutzgas, durch Luft, Was- serstoff oder weitere Gase verursacht werden. Eine weitere Prozessanomalie, welche im WAAM von Aluminium auftritt, ist die Oxidation. Oxidation entsteht durch einen zu hohen Rest- sauerstoffgehalt im Prozess. Oxidationsprozesse während der Herstellung von additiv hergestellten Materialien führen ebenfalls zu Eigenschaftsveränderungen, die am Bauteil uner- wünscht sind.

Bisher wurden Aluminiumbauteile immer erst nach der Anferti- gung des Bauteils durch zerstörungsfreie Prüfverfahren auf Fehlstellen bzw. auf zu hohe Porosität und Oxidation geprüft. Es werden beispielsweise Ultraschall- oder Röntgenstrahlver- fahren genutzt. Durch diese Lösung ist stets erst nach der Fertigstellung des Bauteils bzw. eines Halbzeuges die Beur- teilung über dessen Qualität möglich. Wie bereits erwähnt, ist es aus wirtschaftlichen Gründen insbesondere bei additi- ven Fertigungsverfahren besonders wichtig, die Ausschussquote so klein wie möglich zu halten. Ferner ist es anzustreben, die Qualitätssicherungsprozesse nach dem Produktionszyklus so kurz und so unaufwändig wie möglich zu gestalten.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mittels eines additiven Ferti- gungsprozesses mit einer Qualitätssicherung bereitzustellen, das dazu führt, dass gegenüber dem Stand der Technik eine ge- ringere Ausschussquote bei geringeren Qualitätssicherungsauf- wendungen ermöglicht wird. Ferner ist eine entsprechende Vor- richtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines Werkstückes bereitzustellen.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Verfahren zur Her- stellung eines Werkstückes mittels eines additiven Ferti- gungsprozesses mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einer Vorrichtung zur Herstellung eines Werkstückes nach Patenanspruch 10.

Das Verfahren zur Herstellung eines Werkstückes mittels eines additiven Fertigungsprozesses gemäß Patentanspruch 1 umfasst folgende Schritte: - Zunächst wird eine erste Materialschicht aus einem Ferti- gungsmaterial in einem ersten Auftragsschritt erzeugt. - Es wird ein Oberflächenbild der Materialschichten mittels einer Kamera aufgenommen. - Im Weiteren wird eine Bildanalyse des Oberflächenbildes durchgeführt und ein Rauigkeitskennwert der Oberfläche be- stimmt. - Daraufhin erfolgt ein Abgleich des bestimmten Rauigkeits- kennwertes mit einem gespeicherten Rauigkeitsgrenzwert. - Wenn der Rauigkeitskennwert größer ist als der gespeicher- te Rauigkeitsgrenzwert, wird ein zweiter Auftragungs- schritt für eine zweite Materialschicht freigegeben.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass eine besonders raue Oberfläche dieser ersten Material- schicht auf eine geringere Porosität im Materialinneren schließen lässt. Eine hohe Rauigkeit, also auch ein hoher Rauigkeitskennwert, der sich insbesondere durch eine Vielzahl von Kavitäten an der Oberfläche der Materialschicht auszeich- net, lässt auf ein hohes Maß an Gasaustritten an der Oberflä- che während der Produktion bzw. des Aufbringens der Schicht schließen. Gasaustritte aus dem gerade erstarrenden Material führen zu kleinen Kratern, die als Kavitäten bezeichnet wer- den. Damit steigt der Rauigkeitskennwert. Im Weiteren kann daraus geschlossen werden, dass bei einem hohen Gasaustritt die Anzahl der Poren im Materialinneren geringer wird, da das entsprechende, die Poren bildende und füllende Gas bereits erfolgreich aus dem erstarrenden Material ausgetreten ist.

Bei Probenuntersuchungen kann bei Aufnahme von einer Vielzahl von Rauigkeitskennwerten und der anschließenden Bestimmung der Porenzahl ein Rauigkeitsgrenzwert bestimmt werden, also eine Anzahl von Kavitäten auf der Materialoberfläche, die mit einer unkritischen Porendichte im Inneren des Materials kor- reliert.

Das heißt, es wird empirisch festgelegt, wie die Oberflächen- rauigkeit bei einer gerade noch akzeptablen Porenmenge bzw. Porendichte oder Porengrößenverhältnis ausschaut und ver- gleicht sie mit der gerade vorliegenden Rauigkeit. Wenn die aktuell gemessene Rauigkeit auf der Oberfläche, also der Rau- igkeitskennwert, größer ist als der gespeicherte Rauigkeits- grenzwert, dann weist die gerade aufgebrachte Materialschicht eine ausreichende Qualität auf und ein weiterer Schritt zum Aufträgen einer weiteren Schicht kann eingeleitet werden.

Dabei ist bezüglich des Rauigkeitskennwertes und des Rauig- keitsgrenzwertes anzumerken, dass es sich hierbei in der Re- gel nicht um eine einfache Zahl oder sogar eine natürliche Zahl handeln muss, sondern dass diesem Kennwert ein komplexes computerunterstütztes Auswerteverfahren zugrundeliegen kann. Die Anzahl und Größe der schwarzen Punkte, also der Kavitä- ten, können beispielsweise per Computervision oder ein neuro- nales Netzwerk, zum Beispiel per Autoencoder oder Convolutio- nal Neural Network (CNN), überwacht werden. Dabei kann es sich einerseits um eine gezielte Erkennung der offenen Kavi- täten handeln, zum Beispiel durch Canny Edge Detektoren oder einen Bildsegmentierungsalgoritmus durch CNNs mit zum Bei- spiel Link Net- oder UNet-Architektur oder andererseits um Methoden zur Rekonstruktion des Bildes und Erkennung von Ab- weichungen, zum Beispiel durch Autoencoder, handeln. Dadurch ergibt sich eine relative Aussage über die Poren in der auf- getragenen Schicht, was man wiederum für einen Rauigkeits- grenzwert nutzen kann.

Des Weiteren ist anzumerken, dass der Begriff erste Material- schicht sich auf eine erste beobachtete Materialschicht be- zieht. Dieser beobachteten ersten Materialschicht können schon weitere Materialschichten ähnlicher Art zugrundeliegen. Die zweite Materialschicht im zweiten Auftragsschritt ist dementsprechend die darauffolgende Materialschicht. Alle Ma- terialschichten zusammen bilden dann ein entsprechendes Werk- stück, das wiederum auch ein Halbzeug sein kann.

Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass in situ, also während des Prozesses, konstant die Qualität jedes einzelnen Arbeitsschrittes überprüft werden kann. Dies unterscheidet sich zum Stand der Technik, in dem erst fertige Bauteile und Halbzeuge überprüft werden und mögliche Fehler während des Produktionsprozesses zu spät bemerkt werden. Besonders geeignet ist die Anwendung des beschriebenen Ver- fahrens bei additiven Fertigungsprozessen, die auf Lichtbo- gendrahtschweiß-Verfahren basieren. Dies liegt daran, dass insbesondere bei derartigen Auftragsprozessen besonders viele Poren auftreten können.

Ein weiterer Vorteil des beschriebenen Verfahrens besteht auch darin, dass bei Unterschreiten des Rauigkeitsgrenzwertes eine Prozesskorrekturmaßnahme ebenfalls in situ durchgeführt werden kann. Diese Prozesskorrekturmaßnahme kann beispiels- weise und bevorzugt durch einen mechanischen Abtrageprozess der ersten Materialschicht erfolgen. Dabei ist es zweckmäßig, diesen Abtragungsprozess so weit durchzuführen, wie es pro- zesstechnisch zweckmäßig ist, um die Anzahl der Poren gering zu halten. Ein teilweises Abtragen der ersten Materialschicht kann dabei ausreichend sein. Als mechanisches Abtragungsver- fahren kann beispielsweise ein Fräsprozess durchgeführt wer- den.

Eine zweite bevorzugte und zweckmäßige Prozesskorrekturmaß- nahme kann in der Anpassung eines Schutzgasstromes bestehen. Insbesondere Oxidationsprozesse, die ebenfalls die Qualität des Bauteils negativ beeinflussen können, können auf einen unzureichenden oder unregelmäßigen Schutzgasstrom hindeuten. Zur Ermittlung von Oxidationsvorgängen ist es grundsätzlich zweckmäßig, neben der Kamera auch ein Spektrometer zur Detek- tierung der Oberfläche und besonderer Oberflächeneigenschaf- ten wie Oxidationsvorgänge einzusetzen. Bei Detektion von Oxidationsprozessen kann der Schutzgasstrom entsprechend an- gepasst werden. Auch hier ist es zweckmäßig, ggf. Teile der zuletzt aufgebrachten Materialschicht, also der ersten Mate- rialschicht, abzutragen.

Eine weitere zweckmäßige Prozesskorrekturmaßnahme kann die Anpassung der ProzessSpannung am additiven Fertigungsprozess sein. Insbesondere die Anpassung der ProzessSpannung eines Schweißlichtbogens kann dazu geeignet sein, frühzeitig Oxida- tionsprozesse zu unterbinden. Auch die Beobachtung der Pro- zessspannung und der Prozessstromstärke kann auf Unregelmä- ßigkeiten bei der Prozessführung und auf Oxidationsprozesse hindeuten.

Ferner ist es zweckmäßig, wenn mittels einer Laserlichtquelle eine Beleuchtungszeit der Oberfläche der Materialschicht und eine Verschlusszeit der Kamera derart gesteuert werden, dass eine Beleuchtung der Oberfläche durch den Schweißlichtbogen kompensiert wird.

Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Werkstücks mittels eines additiven Lichtbogendrahtschweißprozesses. Diese Vorrichtung umfasst folgende Merkmale: - einen Lichtbogendrahtschweißroboter mit einem Roboterarm - an dem eine Lichtbogendrahtschweißvorrichtung mit einem Schweißbrenner montiert ist, und - eine Kameravorrichtung mit einer Kamera, die ebenfalls an dem Roboterarm angebracht ist und die bezüglich der Licht- bogendrahtschweißvorrichtung simultan verfahrbar ist, wo- bei die Kamera dabei auf eine Position gerichtet ist, die mit einem Wirkbereich Bereich des Schweißbrenners zusam- menfällt. - Ferner ist eine Bildauswertungsvorrichtung zur in-situ- Auswertung von Oberflächenbildern des Werkstückes vorgese- hen, die von der Kamera aufgenommen sind. - Ferner umfasst die Vorrichtung eine Steuervorrichtung, die mit der Bildauswertevorrichtung in Verbindung steht.

Die beschriebene Vorrichtung weist im Wesentlichen dieselben Vorteile auf, die bereits bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind. Insbesondere ist es mittels die- ser Vorrichtung möglich, in situ auf mögliche Prozessmängel einzugehen und diese, wenn nötig, gleichzeitig zu korrigie- ren. Dabei ist es nicht nötig, ein Werkstück fertig zu produ- zieren, um anschließend eine Werkstoffprüfung vorzunehmen. Die Ausschussrate von Werkstücken, die mit der beschriebenen Vorrichtung hergestellt sind, wird gegenüber herkömmlichen additiv hergestellten Werkstücken erheblich reduziert.

Im Weiteren ist es zweckmäßig, dass die beschriebene Vorrich- tung eine Materialabtragungsvorrichtung zur Abtragung zumin- dest von Teilen einer Materialschicht aufweist. Eine derarti- ge Materialabtragungsvorrichtung kann beispielsweise eine Fräsvorrichtung sein. Diese Fräsvorrichtung kann beispiels- weise am selben Roboterarm angeordnet sein und durch Wechseln des Werkzeuges von der Drahtschweißvorrichtung zur Fräsvor- richtung aufrüstbar sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind an der Lichtbogendrahtschweißvorrichtung eine Spannungs- messvorrichtung und eine Spannungsregelungsvorrichtung zur Messung und Regelung einer Lichtbogenspannung U vorgesehen. Diese steht in Verbindung mit der Steuervorrichtung. Auf die- se Weise kann auf ggf. detektierte Oxidationsprozesse an der Oberfläche des Werkstücks durch Änderung der ProzessSpannung, aber auch des Prozessstromes, Einfluss genommen werden.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Lichtbogendrahtschweißvorrichtung eine Schutzgasregelvorrich- tung auf, die in Verbindung mit der Steuervorrichtung steht. Auch hierdurch kann auf Oxidationsprozesse, die ggf. während des Prozesses wie bereits beschrieben detektiert sind, durch Änderung am Schutzgasstrom Einfluss genommen werden.

Zudem besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung darin, dass die Kameravorrichtung neben der Kamera eine La- serlichtquelle aufweist, wobei ein elektrischer Verschluss der Kamera mit einem elektrischen Verschluss der Laserlicht- quelle in der Art synchronisiert ist, dass eine Belichtungs- zeit von weniger als 10 ^-5 s auftritt. Bei einer derart kurzen Belichtung ist gewährleistet, dass das von der Kamera aufge- nommene Bild nicht überbelichtet ist. Die Laserlichtquelle mit einem kurzen Impuls, der ebenfalls in diesem Bereich von 10 ^-5 s liegt, kann zur gezielten Ausleuchtung des betrachte- ten Punktes beitragen. Unter einer Kamera wird dabei ein Ge- rät verstanden, das einen Detektor zur Aufnahme von elektro- magnetischen jeder Wellenlänge, bevorzugt sichtbares Licht, UV-Licht und/oder Infrarotlicht umfasst.

Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfin- dung werden anhand der folgenden Figuren näher beschrieben. Dabei handelt es sich um schematische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen. Dabei zeigen:

Figur 1 eine dreidimensionale schematische Darstellung ei- nes Lichtbogendrahtschweißroboters mit einer ent- sprechenden Kameravorrichtung,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch ein Werkstück (links) und das dazugehörige Oberflä- chenbild (rechts) mit mehr Poren- (oben) und weni- ger Porenbelastung (unten),

Figur 3 einen schematischen Ablauf des Produktionsprozesses mit Qualitätskontrolle,

Figur 4 eine schematische Darstellung der Veränderung der Intensität eines Spektrometers bei auftretenden Oxidationsprozessen und

Figur 5 eine schematische Darstellung der Änderung der Lichtbogenspannung und des Lichtbogenstromes bei auftretenden Oxidationsprozessen.

In Figur 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von Werkstücken 2 dargestellt. Dabei handelt es sich um einen Lichtbogendrahtschweißroboter 34, der einen Ro- boterarm 35 aufweist, an dem eine Lichtbogendrahtschweißvor- richtung 36 mit einer Lichtbogendrahtschweißdüse 38 angeord- net ist. Ferner ist an dem Roboterarm 35 eine Kameravorrich- tung 40 angeordnet, die wiederum eine Kamera 10 sowie eine Laserlichtquelle 32 umfasst. Auf einem Werktisch 50 ist dabei ein sich in Produktion befindliches Werkstück 2 angeordnet, das nicht Bestandteil der Vorrichtung 34 ist. Das Werkstück 2 wird dabei additiv in verschiedenen Schichten aufgetragen. Dabei wird zunächst eine erste Materialschicht 4 betrachtet, die in einem ersten Auftragsschritt 6 aufgetragen wird. Dabei handelt es sich bei der ersten Materialschicht lediglich um die erste betrachtete Materialschicht, der schon eine Viel- zahl weiterer Schichten folgen kann. Die erste Material- schicht 4 weist dabei eine Oberfläche 14 auf, wobei durch die Kamera 10 ein Oberflächenbild 8 dieser Oberfläche 14 aufge- nommen wird. Dabei entsteht die Oberfläche 14 während des Lichtbogendrahtschweißens, weshalb während des Prozesses nicht stets von einer Festkörperoberfläche gesprochen werden kann. Daher wird der Bereich, auf den die Kamera 10 mit der Laserlichtquelle 32 gerichtet ist, ganz allgemein als der Wirkbereich 42 der Lichtbogendrahtschweißvorrichtung 36 bzw. der Lichtbogendrahtschweißdüse 38 bezeichnet. In der Regel befindet sich in diesem Wirkbereich 42 eine aufzunehmende Oberfläche eines Werkstücks 2.

Wie in Figur 1 zu erkennen, ist die Kameravorrichtung 40 ebenfalls am Roboterarm 36 befestigt und ist dabei so ausge- richtet, dass sie während eines additiven Fertigungsprozess 3 mit der Lichtbogendrahtschweißvorrichtung 36 bzw. der Licht- bogendrahtschweißdüse 38 simultan und bevorzugt äquidistant verfahrbar ist. Das bedeutet, dass eine (hier nicht darge- stellte) Kameralinse bevorzugt stets auf einen Punkt im Wirk- bereich 42 der Lichtbogendrahtschweißdüse 38 gerichtet ist, der sich gerade im Herstellungsprozess befindet oder gerade erstarrt ist. Die Kamera nimmt dabei simultan Oberflächenbil- der 8 auf, die durch eine Bildauswertungsvorrichtung 44 wäh- rend des Fertigungsprozesses 3, also in situ, ausgewertet werden. Ferner weist der Lichtbogendrahtschweißroboter 34 ei- ne Steuervorrichtung 46 auf, die beispielhaft in der vorlie- genden Figur 1 in einem integrierten Kasten zusammen mit der Bildauswertevorrichtung 44 angeordnet ist. Beide Vorrichtun- gen können selbstverständlich auch in unterschiedlichen Re- cheneinheiten auch außerhalb des direkten Roboters angeordnet sein.

Ferner ist in Figur 1 schematisch eine Materialabtragungsvor- richtung 48 in Form von Fräsköpfen 68 dargestellt. Diese sind außerhalb des Roboterarmes 35 gelagert und können bei Bedarf, worauf im Weiteren noch eingegangen wird, im Wechsel bei- spielsweise zur Lichtbogendrahtschweißvorrichtung 36 am Robo- terarm aufgenommen werden. Auf diese Weise können als nicht einwandfrei detektierte aufgetragene Schichten 4 des Werk- stücks 2 direkt wieder durch den Fräskopf abgetragen werden.

Die in Figur 1 beschriebene Vorrichtung 34 und der damit durchgeführte additive Fertigungsprozess 3 basiert auf der Erkenntnis, die mittels Figur 2 erläutert wird. Im oberen Teilbereich der Figur 2 ist auf der linken Seite ein Schnitt durch ein Werkstück 2 dargestellt, bei dem an seiner Obersei- te eine Materialschicht 4 aufgetragen wird, die als erste Ma- terialschicht 4 bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um die erste betrachtete Materialschicht, gefolgt ggf. von weiteren Materialschichten, die bereits als fehlerfrei untersucht sind. Eine analoge Darstellung eines Schnittes durch ein Werkstück 2' ist im unteren Teil b der Figur 2 dargestellt. Dies weist eine erste Materialschicht 4' auf. Die Material- schichten 4 und 4' aus den Teilfiguren 2a und 2b unterschei- den sich insbesondere durch ihren Porengehalt. Die Material- schicht 4 weist dabei wesentlich mehr und wesentliche größere Poren 64 auf als die Materialschicht 4'. Die unterschiedli- chen Porengehalte in den Schichten 4 und 4' sind in den Quer- schnittdarstellungen der Figuren 2a und 2b sehr gut zu erken- nen, von außen lassen sich diese jedoch nicht ohne Weiteres erkennen. Hierzu müssen besondere Werkstoffprüfverfahren wie beispielsweise Ultraschallverfahren oder Röntgenverfahren an- gewandt werden. Diese können jedoch erst am fertigen Bauteil angewandt werden. Es hat sich nun herausgestellt, wie es auf der rechten Seite der Figuren 2a und 2b dargestellt ist, dass ein Oberflächenbild 8, das durch die Kamera 10, ggf. unter- stützt durch eine Laserlichtquelle 32, die zusammen die Kame- ravorrichtung 40 ergeben, aufgenommen ist, Rückschlüsse auf das Porenbild der obersten Schicht 4 bzw. 4' zulassen.

Dabei kommt die Erkenntnis zum Tragen, dass die Poren 64, die insbesondere mit Gas, beispielsweise Schutzgas oder aber auch Luft, gefüllt sind, mit Kavitäten 52 an der Oberfläche 14 der ersten Materialschicht 4, 4' korrelieren. Wird die Schicht 4 bzw. 4' in prozesstechnischer Sicht optimalerweise aufge- bracht, so treten die Gaseinschlüsse, die Poren 64 bilden könnten, an der Oberfläche 14 aus. Dadurch bilden sich Ober- flächenrauigkeiten in Form von Kavitäten 52, beispielsweise Krater oder andere Arten von Rauigkeiten. Das heißt, wenn die Oberfläche 14' mit einer höheren Anzahl an Kavitäten 52 be- legt ist, lässt dies darauf schließen, dass die darunterlie- gende Materialschicht 4 weniger Poren enthält als eine Ober- fläche 8 mit weniger Kavitäten 52. Durch eine Vielzahl von Untersuchungen lässt sich somit ein Rauigkeitskennwert X be- stimmen, der insbesondere durch verschiedene computerunter- stützte Verfahren festgelegt werden kann. Dabei handelt es sich in der Regel nicht um eine reine natürliche Zahl, son- dern um eine komplexe Bewertung von Grau- bzw. Schwarzwerten der betrachteten Oberfläche 14 bzw. des Oberflächenbildes 8. Dabei ist beispielsweise in einer Bildauswertevorrichtung ein Rauigkeitsgrenzwert R hinterlegt, der mit dem in situ ermit- telten Rauigkeitswert X verglichen wird. Der Rauigkeitswert X ist umso höher, je mehr Kavitäten an der Oberfläche 8 vorhan- den sind bzw. ermittelt werden.

Eine Anfertigung einer Vielzahl von Querschnitten durch Werk- stücke 2 führt zu dem Rauigkeitsgrenzwert R, der mit einer Anzahl und Struktur von Kavitäten 52 korreliert, bei dem die Porendichte, also die Anzahl der Poren 64 bzw. 64', in der ersten Materialschicht 4 bzw. 4' gerade noch akzeptabel ist. Liegt also der bestimmte Rauigkeitswert X oberhalb dieses Rauigkeitsgrenzwertes R, so ist zwar die Oberfläche 8 mit ei- ner Vielzahl von Kavitäten durchsetzt, die darunterliegende Materialschicht 4 weist jedoch ausreichend wenig Poren 64 auf, um eine entsprechende Materialqualität des gesamten Werkstücks 2 bzw. 2' zu gewährleisten. In diesem Fall kann eine weitere Auftragsschritt zur Auftragung einer weiteren Materialschicht auf die Materialschicht 4 freigegeben werden.

In Figur 3 ist der beschriebene Prozess schematisch in einem Prozessschaubild noch ein weiteres Mal veranschaulicht. Aus- gehend von einem Startzustand (Kreis oben) wird zunächst mit- tels eines ersten Auftragungsschrittes 6, der in Form eines Lichtbogendrahtschweißprozesses 18 ausgestaltet ist, mittels einer Lichtbogendrahtschweißvorrichtung 36 eine erste Materi- alschicht 4 erzeugt. Dabei wird bevorzugt unmittelbar nach dem Erstarren oder während des Erstarrens mittels einer Kame- ra 10 die Oberfläche 14 entsprechend der bereits bezüglich Figur 2 beschriebenen Vorgehensweise untersucht.

Das durch die Kamera 10 aufgenommene Oberflächenbild 8 wird mithilfe eines Bildanalyseprozesses 12 entsprechend unter- sucht. Wie bereits erwähnt, korreliert die Oberflächenrauig- keit mit der in der Schicht 4 vorliegenden Porosität. Somit wird mittels einer Bildauswertungsvorrichtung 44 ein Rauig- keitswert X bestimmt. Dieser wird im Weiteren mit einem ge- speicherten Rauigkeitsgrenzwert R verglichen. Wenn der Rauig- keitswert X kleiner ist als der Rauigkeitsgrenzwert R, also weniger Kavitäten und weniger Oberflächenrauigkeit auf der Oberfläche 8 vorliegt, so ist auf eine schlechte Qualität be- züglich Porosität in der Schicht 4 zu schließen. Daraufhin wird diese zumindest teilweise wieder in einem mechanischen Abtragungsprozess 22 im Rahmen einer Prozesskorrekturmaßnahme 20 abgetragen. Hierzu wird beispielsweise eine Fräsvorrich- tung 48 angewandt. Es folgt ein weiterer Untersuchungsschritt der nun entstandenen neuen Oberfläche des Werkstücks 2, und es folgen ggf. weitere Prozesskorrekturmaßnahmen 20 in Form von Regelungen einer ProzessSpannung bzw. eines Prozessstro- mes mittels einer Spannungs- und/oder Stromregelungsvorrich- tung 5656. Hierbei wird insbesondere eine Lichtbogenspannung U, die die Intensität eines Lichtbogens 30 beeinflusst, gere- gelt. Ferner ist es möglich, Anpassungen des Schutzgasstromes 24 mittels einer Schutzgasregelvorrichtung 54 vorzunehmen. Beide dieser beschriebenen Parameter, also die Lichtbogen- spannung U bzw. ein Lichtbogenstrom I und der Schutzgasstrom 24, können die Porosität und die Oberflächeneigenschaften, insbesondere auch die Oxidation an der Oberfläche 14 beein- flussen.

Insbesondere die Oxidation an der Oberfläche 14 kann in vor- teilhafter Weise neben der Kameravorrichtung 40 bzw. der Ka- mera 10 auch durch ein Spektrometer 26, das hier schematisch dargestellt ist, ermittelt werden (vgl. Figur 4). Wenn die Regelmaßnahmen vorgenommen worden sind, also der Schutz- gasstrom 24 bzw. die Spannung U und der Strom I des Lichtbo- gens 30 angepasst wurden, kann die erste Materialschicht 4 erneut aufgetragen werden, wie dies in dem Kreislauf gemäß Figur 3 dargestellt ist.

In dem Fall, dass der Rauigkeitswert X größer ist als der Rauigkeitsgrenzwert R, erfolgt eine Freigabe für einen weite- ren Auftragungsschritt 16 mittels des beschriebenen Lichtbo- gendrahtschweißprozesses 18. Auf diese Weise wird bei optima- len Prozessbedingungen eine Mehrzahl weiterer Prozessschritte 16 durchgeführt, bis das Werkstück 2 seine entsprechende Kon- tur angenommen hat und fertiggestellt ist.

Im Weiteren soll noch auf mögliche Prozesskorrekturmaßnahmen 20 eingegangen werden, die im Gegensatz zum Abtragungsprozess 22 Steuermaßnahmen sind. Zum einen wird gemäß Figur 4 in vor- teilhafter Weise ein Spektrometer 26 eingesetzt, das eben- falls die Oberfläche 14 der Schicht 4 überwacht.

Das Spektrometer 26 liefert ein Spektrogramm, das in rein schematischer Form in Figur 4 abgebildet ist. Auf der Y-Achse ist dabei die Intensität Int aufgetragen, auf der X-Achse die Zeit t. Im Verlauf des Auftrags treten hierbei bei einer Pro- zessstörung, beispielsweise bei einer Oxidationsphase 64, deutlich höhere Intensitäten Int im Spektrum auf. Durch diese Information können ebenfalls wie bereits beschrieben an den Prozessparametern, nämlich dem Schutzgasstrom 24 und dem Lichtbogenstrom I bzw. der Lichtbogenspannung U, Anpassungen vorgenommen werden. Diese Unregelmäßigkeiten, die sich auf Oxidationsprozesse 64 zurückführen lassen können, sind auch in Figur 5 zu erkennen, indem die bereits genannte Lichtbo- genspannung U und der Lichtbogenstrom I aufgezeigt sind. Da- bei handelt es im oberen Teil der Figur 5 um den Spannungs- verlauf 60, im unteren Bereich um den Stromverlauf 62. Die Spannung U erhöht sich bei auftretender Oxidation im Bereich 64, wogegen die Stromstärke I hierbei sinkt. Auch diese Pro- zessparameter können für die Regelung und für die Qualitäts- sicherung des Produktionsprozesses herangezogen werden.

Bezugszeichenliste

2 Werkstück

3 Additiver Fertigungsprozess

4 erste Materialschicht

6 erster Auftragsschritt

8 Oberflächenbild

10 Kamera

12 Bildanalyseprozess

X Rauigkeitskennwert

14 Oberfläche

R Rauigkeitsgrenzwert

16 zweiter Auftragsschritt

18 Lichtbogendrahtspitzprozess

20 Prozesskorrekturmaßnahme

22 mechanische Abtragung

24 Anpassung Schutzgasstrom

26 Spektrometer

U ProzessSpannung

30 Schweißlichtbogen

32 Laserlichtquelle

34 Lichtbogendrahtspitzroboter

35 Roboterarm

36 LDS Vorrichtung

38 LDS Spritzdüse

40 Kameravorrichtung

42 Wirkbereich Spritzdüse

44 Bildauswertungsvorrichtung

46 Steuervorrichtung

48 Materialabtragungsvorrichtung

50 Werktisch

52 Kavitäten

54 Schutzgasregelvorrichtung

56 Spannungsregelvorrichtung

58 Spektrogramm

Int Intensität

60 Spannungsverlauf

62 Stromverlauf 64 Oxidationsphasen

66 Poren

68 Fräskopf