Verfahren zur additiven Fertigung und Fertigungsanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung sowie eine Fertigungsanlage.

Es ist bekannt, Werkstücke mittels Laserauftragsschweißens additiv zu fertigen.

Insbesondere beim Laserauftragsschweißen in Form der „Laser Metal Deposition" (LMD) wird ein Werkstoff pulverförmig durch eine Düse geleitet und mittels eines Lasers aufgeschmolzen . Der Werkstoff wird lagenweise abgeschieden und so das Werk stück Lage für Lage gefertigt. Derart gefertigte Werkstücke weisen jedoch prozessbedingt Werkstückgeometrien auf, welche nicht über die gesamte Fertigungsdauer präzise oder hinrei chend reproduzierbar gefertigt sind. Insbesondere die Lagen dicke wird häufig nicht genügend präzise gefertigt.

Vor diesem Hintergrund ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur additiven Fertigung anzugeben, mit welchem insbesondere mit höherer Präzision und verbesser ter Reproduzierbarkeit gefertigt werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Fertigungsanlage zu schaffen, mittels welcher das verbesserte Verfahren zur addi tiven Fertigung ausgeführt werden kann.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur ad ditiven Fertigung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Fertigungsanlage mit den in Anspruch 9 ange gebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Er findung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfol genden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur additi ven Fertigung eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungs kopfs. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Geschwin- digkeit des Bearbeitungskopfs in Abhängigkeit von einer vor gegebenen und/oder erfassten Geometrie des Werkstücks ge stellt .

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aufgrund der Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfes die Auftragshöhe von Werkstoff auf das bislang gefertigte Werkstück flexibel und mit einer kurzen Reaktionszeit eingestellt werden. Typisch wird bei ansonsten konstant gehaltenen Prozessparametern bei einer Bewegung des Bearbeitungskopfes mit einer hohen Ge schwindigkeit weniger Werkstoff je Flächeneinheit einer Ober fläche des Werkstücks auf dieses Werkstück aufgetragen als bei einer geringeren Geschwindigkeit des Werkstücks. Auf die se Weise kann somit die lokale flächenbezogene Masse an auf getragenen Werkstoff eingestellt und folglich die Geometrie, insbesondere eine Höhe, oder mit anderen Worten eine Dicke, einer mittels des Verfahrens neu an dem Werkstück aufgetrage nen Schicht eingestellt werden. Im Vergleich mit einer Anpas sung etwa eines Massenstromes an zugeführtem Werkstoff kann eine Anpassung der Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfes sehr rasch und reaktionsschnell erfolgen.

Im Vergleich zum erfindungsgemäßen Verfahren wird bei bislang bekannten Lösungen abhängig von einer Analyse des Fertigungs prozesses ein Satz von anlagen- und materialspezifisch geeig neten Prozessparametern ermittelt und fix, d.h. während einer additiven Fertigung konstant, eingestellt. Hierdurch wird je doch bei diesen bekannten Lösungen lediglich die Wahrschein lichkeit des Auftretens von Störeinflüssen gemindert. Im Fal le allerdings des Auftretens von Störeinflüssen kann mit sol chen bekannten Lösungen während der Fertigung selbst nicht reagiert werden.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Geschwin digkeit des Bearbeitungskopfes durch eine insbesondere pro zessparallele Anpassung auf Grundlage der ermittelten Geomet rie des Werkstücks und/oder der vorgesehenen Geometrie des Werkstücks angepasst, sodass mittels der Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfes auf Störeinflüsse, wie sie sich insbeson dere infolge von Variationen des WerkstoffStroms pulverförmi gen Werkstoffs und/oder thermischen und/oder chemischen Pro zessen, welchen der Werkstoff unterliegt und/oder Bewegungen wie insbesondere Schwingungen der Fertigungsanlage und/oder des Bearbeitungskopfes, reagiert werden kann.

Erfindungsgemäß lassen sich solche Störeinflüsse mittels ei ner Stellung der Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfes leicht kompensieren. Folglich lassen sich mit dem erfindungs gemäßen Verfahren eine hohe Präzision der additiven Fertigung und eine hohe Reproduzierbarkeit erfindungsgemäß hergestell ter Werkstücke erreichen. Zudem sind aufgrund der Störgrö ßenkompensation weniger empirische Prozessuntersuchungen zur Ermittlung geeigneter Prozessparameter nötig. Die Erfindung reduziert somit die Kosten durch Reduktion der Anzahl an Fehlteilen und nötigen Prozessuntersuchungen.

Ferner handelt es sich bei der Bewegung des Bearbeitungskop fes um einen Prozessparameter, welcher bei der additiven Fer tigung regelmäßig zu stellen erforderlich ist. Folglich ist eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders einfach möglich, da zur Anpassung der Geschwindigkeit des Be arbeitungskopfes keine zusätzliche Hardware oder Werkzeuge erforderlich sind. Lediglich eine Anpassung einer typischer weise ohnehin vorhandenen Steuerung an das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckdienlich. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit vor teilhaft besonders kostengünstig.

Insbesondere wird die Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfes gestellt, indem eine Steuerung von den Bearbeitungskopf bewe genden oder führenden Achsen, insbesondere Vorschubachsen, geeignet gesteuert werden. Vorzugsweise erfolgt die Steuerung der Achsen mittels numerischer Steuerung (NC = engl. „Numeri- cal Control") . In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfs in Abhängigkeit von einer Differenz von vorgegebener und erfass ter Geometrie des Werkstücks gestellt. Auf diese Weise kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens leicht derart ge stellt werden, dass die Differenz von vorgegebener und er fasster Geometrie des Werkstücks verschwindet.

Bevorzugt umfasst bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ge ometrie eine Höhe, insbesondere eine Höhe in Richtung quer, vorzugsweise senkrecht, zu Richtungen zumindest eines Ver fahrwegs des Bearbeitungskopfs und/oder zu Obeflächenerstre ckungen eines Substrats, an welchem das Werkstück gefertigt wird. Wie bereits zuvor erläutert, lässt sich insbesondere die Dicke einer auf dem Werkstück abgeschiedenen Schicht und folglich die Höhe des resultierenden Werkstücks leicht mit tels einer korrespondierenden Stellung der Geschwindigkeit des Werkstücks beeinflussen.

Geeignet wird in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfin dungsgemäßen Verfahrens ein Verfahrweg des Bearbeitungskopfs bestimmt und die Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfs ent lang zumindest eines Abschnitts dieses Verfahrwegs gestellt. Häufig wird bei additiven Fertigungsverfahren ein Bearbei tungskopf entlang zueinander und zu einem Substrat paralleler Ebenen verfahren, um das Werkstück lagen-, d.h. schichtweise, aufzubauen. In dieser Weiterbildung der Erfindung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren unaufwendig und ohne weiteren Anpassungsbedarf in die üblichen Prozessschritte integrieren, indem lediglich die Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfes variabel gehalten und geeignet angepasst wird.

Zweckmäßig bildet bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfes eine Stellgröße eines Regelverfahrens und die Geometrie des Werkstücks oder einer aktuell gefertigten Lage eine Regelgröße des Regelverfahrens. Auf diese Weise lässt sich mittels der Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfs die Geometrie des Werkstücks einfach re- geln, wobei ggf. auftretende Störeinflüsse mittels des Regel verfahrens selbsttätig weitestgehend eliminiert werden kön nen .

Vorzugswiese bildet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Ort des Bearbeitungskopfes eine Regelgröße eines zweiten Re gelverfahrens und ein Steuersignal zur Steuerung einer Bewe gung des Bewegungskopfes eine Stellgröße des zweiten Regel verfahrens. Besonders bevorzugt werden bei dem erfindungsge mäßen Verfahren erstes Regelverfahren und zweites Regelver fahren in Kombination eingesetzt. In dieser Weiterbildung der Erfindung werden folglich zwei Regelkreise überlagert: Zum einen wird ein erster Regelkreis genutzt, die Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfes anzupassen. Ein zweiter Regelkreis wird dazu genutzt, eine Bewegungsbahn für den Bearbeitungs kopf anzupassen.

Die Art der Regelung kann bei den vorgenannten zwei Regelver fahren grundsätzlich frei gewählt werden. Insbesondere können eine Fuzzy-Regelung und/oder eine Sliding-Mode-Regelung und/oder eine modellprädiktive Regelung und/oder eine sonsti ge Regelung herangezogen werden. Die Regelung kann vollstän dig in eine Software zur Bestimmung eines Verfahrwegs inte griert sein, etwa in eine numerische Steuerung, vorzugsweise mithilfe von Compilezyklen und/oder Synchronaktionen.

Vorteilhaft erfolgt bei dem Verfahren gemäß der Erfindung die Fertigung mittels Laserauftragsschweißens und ist der Bear beitungskopf ein Laserauftragsschweißkopf. Gerade beim Laser auftragsschweißen lassen sich vorteilhaft Störeinflüsse kom pensieren. Geeigneterweise weist der Bearbeitungskopf eine Düse für den Auslass pulverförmigen metallischen Werkstoffs sowie eine Fokussieroptik zur Fokussierung eines den Werk stoff aufschmelzenden Laserstrahls auf.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Geo metrie des Werkstücks erfasst, insbesondere mittels eines Sensors, welcher bevorzugt im Bearbeitungskopf angeordnet ist. Besonders bevorzugt wird ein interferometrischer Ab standsmesser herangezogen, wie er als In-Process-Depth-Meter des Unternehmens Precitec GmbH bekannt ist und in der Druck schrift DE 10 2014 011 569 Al beschrieben ist.

Alternativ und ebenfalls bevorzugt wird die Höhe des Werk stücks nicht mittels Sensoren erfasst, sondern mittels Schät zung ermittelt, d.h. bestimmt.

Die erfindungsgemäße Fertigungsanlage dient zur additiven Fertigung und umfasst einen Bearbeitungskopf und eine Steue rung zur Bewegung des Bearbeitungskopfs. Bei der erfindungs gemäßen Fertigungsanlage ist die Steuerung zur Ausführung ei nes Verfahrens wie vorhergehend beschrieben ausgebildet.

Die Fertigungsanlage weist in einer zweckmäßigen Weiterbil dung der Erfindung zumindest einen Sensor zur Erfassung der Geometrie des Werkstücks auf.

Bei der Fertigungsanlage gemäß der Erfindung weist der Sensor bevorzugt einen interferometrischen Abstandsmesser auf. Be sonders bevorzugt ist der interferometrische Abstandsmesser ein Abstandsmesser, wie er als In-Process-Depth-Meter des Un ternehmens Precitec GmbH bekannt ist und in der Druckschrift DE 10 2014 011 569 Al beschrieben ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei gen :

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Fertigungsanlage schematisch in einer Seitenansicht sowie

Fig . 2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen

Verfahrens zur additiven Fertigung eines Werkstücks schematisch in einer Prinzipskizze. Mittels der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Ferti gungsanlage 20 zur additiven Fertigung eines Werkstücks 10 wird das in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt .

Die erfindungsgemäße Fertigungsanlage 20 zur additiven Ferti gung eines Werkstücks 10 umfasst in an sich bekannter Weise einen Bearbeitungskopf 40, welcher zum Laserauftragsschweißen (LMD = engl. „Laser Metal Deposition") ausgebildet ist. Der Bearbeitungskopf 40 weist dazu eine Düse 50 auf, mittels wel cher Werkstoff 60 in Gestalt eines Metallpulvers aus der Düse 50 ausgeleitet wird. Ein innerhalb des Bearbeitungskopfes 40 enthaltener optischer Aufbau (in den Figuren nicht eigens ge zeigt) sendet aus der Düse 50 zugleich einen sich außerhalb der Düse fokussierenden Laserstrahl aus, welcher den Werk stoff 60 aufschmilzt. Mittels des Bearbeitungskopfes 40 wird der aufgeschmolzene Werkstoff 60 auf einer Oberfläche des Werkstücks 10 abgeschieden.

Das Werkstück 10 wird auf einem ebenen, flächigen Substrat 70 abgeschieden. In weiteren, nicht eigens gezeigten Ausfüh rungsbeispielen, welche im Übrigen dem dargestellten Ausfüh rungsbeispiel entsprechen, kann das Substrat auch eine Ober fläche in Form einer Freiformfläche aufweisen. Zum Abscheiden des Werkstücks 10 auf dem Substrat 70 wird der Bearbeitungs kopf 40 im Wesentlichen auf programmierten Werkzeugbahnen pa rallel zur Oberfläche des Substrats 70 entlang von Bahnen F verfahren. Dazu weist die Fertigungsanlage 20 ein Positio niersystem auf, welches als mehrachsige Fahreinrichtung 80 ausgebildet ist. Der Bearbeitungskopf 40 ist an die Fahrein richtung 80 mittels einer Halterung 90 starr angebunden und somit mit der Fahreinrichtung 80 bewegungsgekoppelt. Mittels einer Ansteuerung der Achsen der mehrachsigen Fahreinrichtung 80 wird der Bearbeitungskopf 40 bewegt.

Die Fahreinrichtung 80 wird mittels einer Steuerung 95 derart gesteuert, dass sie den Bearbeitungskopf 40 entlang einer Bahn F bewegt. Die Steuerung 95 umfasst dazu zunächst eine Bahnsteuerungsteuerung 105, welche die Sollposition SP des Bearbeitungskopfes 40 heranzieht. Die Bahn F wird aus der Ge ometrie des Werkstücks 10 abgeleitet. Die Position des Bear beitungskopfs 40 wird während des Verfahrens entlang der Bahn F als Regelgröße mittels eines Lagereglers LAR, welcher eben falls Teil der Steuerung 95 ist, geregelt. Mittels einer An steuerung MEC der Fahreinrichtung 80, die ebenfalls Teil der Steuerung 95 ist, wird der Bearbeitungskopf 40 mit einer ein gestellten Geschwindigkeit verfahren. Zu regelmäßig, hier zeitlich äquidistant, aufeinanderfolgenden Zeitpunkten wird die mittels der Ansteuerung MEC angefahrene Position des Be arbeitungskopfs 40 mittels eines Positionsmesssystem POS, im dargestellten Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors, überprüft. Das Ergebnis dieser Überprüfung liefert die Istpo- sition IP, welche dem Eingang des Lagereglers LAR zurückge liefert wird, sodass der Eingang des Lagereglers LAR die tat sächliche aktuelle Ist-Position erhält und folglich die Bahn des Bearbeitungskopfs 40 präzise steuert. Diese Rückkopplung der Istposition IP bildet einen Regelkreis R2 zur Regelung der Position des Bearbeitungskopfs 40.

Zusätzlich ist ein weiterer Regelkreis RI vorhanden, welcher zusätzlich zur Position des Bearbeitungskopfs 40 die Ge schwindigkeit des Bearbeitungskopfs 40 entlang der Bahn ein stellt. Dazu wird die während des Laserauftragsschweißens mit einem interferometrischen Sensor 120 der Abstand des Bearbei tungskopfes 40 von einer Oberfläche des Werkstücks 10 über prüft. Der interferometrische Sensor 120 ermittelt den Ab stand des Bearbeitungskopfs 40 zum Werkstück 10 mittels In terferometrie von Laserlicht 100. Beispielsweise kann als in- tererometrischer Sensor 120 ein interferometrischer Abstands messer herangezogen werden, wie er als In-Process-Depth-Meter des Unternehmens Precitec GmbH bekannt ist und in der Druck schrift DE 10 2014 011 569 Al beschrieben ist. Die Steuerung 95, hier die Bahnsteuerung 105 der Steuerung 95, erhält als Eingangsgröße die Sollhöhe SH des Werkstücks 10. Gerät die Höhe des Werkstücks 10 beim Laserauftragsschweißen zu groß, so registriert der Sensor 120 einen zu geringen Ab stand des Bearbeitungskopfs vom Werkstück 10 verglichen zur eigentlich beim Laserauftragsschweißen angestrebten Sollhöhe SH. Diese aktualisierte Isthöhe IH des Werkstücks 10 wird er fasst und der Steuerung 95 als aktuelle Eingangsgröße über mittelt. Mittels dieses Regelkreises RI kann jeweils die Steuerung des Bearbeitungskopfes 40 entang einer solchen Bahn mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgen, dass die Isthöhe IH des Werkstücks 10 möglichst genau der Sollhöhe SH des

Werkstücks 10 durch Anpassung der Prozessparameter, hier der Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfs 40 sowie zusätzlich ggf. weitere Prozessparameter, angepasst wird. Die Regelverfahren der Regelkreise RI und R2 können auf un terschiedliche Weise realisiert sein. Vorliegend wird als Re gelverfahren eine Fuzzy-Regelung herangezogen. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann alter nativ oder zusätzlich eine Sliding-Mode-Regelung oder eine modellprädikative Regelung eingesetzt werden.