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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bewertung von Korrekturfaktoren für Rapid-Prototyping-Verfahren mit einem Prüfkörper vor der Herstellung eines Objektes.
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Im Bereich des Rapid-Prototyping haben sich verschiedenste Verfahren entwickelt. Alle Verfahren haben gemeinsam, dass hierbei Werkstücke aus formlosem Material schichtweise aufgebaut werden. Das Ausgangsmaterial (Kunststoffe, Metalle, Keramiken) wird dabei je nach Verfahren über chemische oder physikalische Prozesse umgewandelt. Als bekannteste Verfahren sind hierbei das Selektive Lasersintern (SLS), die Stereolithografie (STL) und das Fused Deposition Modeling (FDM) zu nennen.
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Beim SLS wird ein 3D-CAD-File in zweidimensionale Ebenen zerlegt, wobei diese eine Dicke in der Größenordnung von etwa 0,1 mm aufweisen. Die Koordinaten der Ebenen werden als Steuerungsdatensätze zu einem Steuerrechner übertragen. Auf einer Bauplattform wird zunächst eine Schicht des meist pulverförmigen Ausgangsmaterials aufgetragen, dessen Oberfläche dann entsprechend der Koordinaten der ersten Ebene mit einem Laser bestrahlt wird. Das mit dem Laser bestrahlte Pulver wird dabei gesintert, sodass sich ein Gefüge bildet. Nach der Bearbeitung der ersten Ebene wird die Bauplatte um die Schichtdicke einer Ebene abgesenkt und eine neue Pulverschicht wird aufgetragen. Entsprechend der Anzahl der Ebenen werden die Schritte wiederholt. Dabei wird ein dreidimensionales Objekt schichtweise aufgebaut.
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Grundsätzlich weisen alle Fertigungsverfahren des Rapid-Prototyping eine endliche Fertigungsgenauigkeit auf, wobei sich die Fertigungsgenauigkeit aus dem Vergleich zwischen den Soll-Maßen für das Produkt und den Ist-Maßen am Produkt ergibt. Bei der Massen- und Serienfertigung wird die Nullserienfertigung für den Soll-Ist-Vergleich genutzt. Erfüllt die Nullserie die Anforderungen an das Produkt und sind die Ergebnisse reproduzierbar, ist die Fertigungsgenauigkeit und damit die Serientauglichkeit nachgewiesen. Werden die Anforderungen an das Produkt nicht erreicht, so ist eine Korrektur des Fertigungsprozesses über Parameteranpassung notwendig.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Ermittlung derartiger Korrekturfaktoren grundsätzlich bekannt. Die Nutzung eines Korrekturfaktors bzw. eines Kompensationsdatensatzes zur Erzeugung von Steuerungsdatensätzen wird beispielsweise in
DE 10 2004 009 126 A1 vorgeschlagen, wobei die Berechnung des Kompensationsdatensatzes anhand von Messdaten aus der optischen Vermessung des eigentlichen Objektes erfolgt. Ebenso wird in
EP 2 823 952 A1 das Ermitteln von Korrekturfaktoren aus den Ist- und Zieldimensionen eines im Selektiven-Laser-Schmelzverfahren hergestellten Objektes beschrieben.
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Nachteilig bei den genannten Lösungen ist allerdings, dass die Vermessung am fertigen Produkt durchgeführt wird. Insbesondere in der Einzel- und Kleinserienfertigung ist die Prüfung der Fertigungsgenauigkeit der Anlagentechnik über eine Prüfmaßbewertung der Produkte kaum möglich, da die sehr geringen Fertigungsstückzahlen und die damit statistisch nicht gesicherte Prüfmaßbewertung nicht für die Korrektur der Prozessparameter zu empfehlen ist. Es hat sich dahingehend als vorteilhaft erwiesen, vor dem Aufbau des eigentlichen Objektes Prüfkörper herzustellen. So kann beispielsweise aus der Geometrieabweichung zwischen Prüfkörper und Bezugsnormal zunächst die Eignung des verwendeten Parametersatzes geprüft und eine iterative Justierung der Anlagenparameter vorgenommen werden. Derartige Prüfkörper können darüber hinaus in ihren Dimensionen kleiner sein als das eigentliche Objekt, womit zum Auffinden der Parameter Zeit und Material gespart werden. Weiterhin können die Prüfkörper so ausgebildet werden, dass z. B. die Passgenauigkeit oder die fraglichen Materialeigenschaften einfach gemessen werden können.
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In
DE 10 2010 041 461 A1 wird der Aufbau eines Prüfkörpers vor der eigentlichen Herstellung eines Objektes vorgeschlagen, wobei der Prüfkörper als Zug- oder Biegeprobe für die Bewertung von Materialparametern gedacht ist. Für eine Bewertung der Passgenauigkeit ist der beschriebene Prüfkörper nicht geeignet.
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Die Druckschrift
DE 199 47 576 C1 beschreibt einen Prüfkörper, der in einem Rapid Prototyping Verfahren hergestellt wird und der Bewertung der Passgenauigkeit des Verfahrens dient. Der Prüfkörper ist einteilig und stabförmig ausgestaltet. Entlang des Stabes sind Ausbuchtungen ausgebildet, deren Abstände nach der Herstellung des Prüfkörpers ausgemessen und in einen Korrekturfaktor umgerechnet werden. Nachteilig ist, dass zur Vermessung zusätzlich ein Messmittel mit entsprechender Genauigkeit benötigt wird. Ebenso ist es mit solch einem einteiligen Prüfkörper nicht möglich die Korrekturfaktoren zweier Analgen bzw. zweier Verfahren gegeneinander zu bewerten und aufeinander abzustimmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und einen Prüfkörper zur Bewertung von Korrekturfaktoren von Rapid-Prototyping-Verfahren zu schaffen, wobei die Bewertung ohne weitere Messmittel durchgeführt werden soll. Weiterhin soll der Abgleich der Korrekturfaktoren verschiedener Anlagen und Verfahren möglich sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst, indem ein erstes Segment und ein zweites Segment des Prüfkörpers mit einem initialen Korrekturfaktor hergestellt werden und dass am ersten und zweiten Segment zueinander kongruente Konturen ausgebildet werden und dass das erste Segment und das zweite Segment des Prüfkörpers entsprechend ihrer kongruenten Konturen zueinander angeordnet werden und dass über die Passgenauigkeit der kongruenten Konturen zueinander eine Bewertung des Korrekturfaktors erfolgt. Über die Anordnungen der beiden Segmente entsprechend ihrer kongruenten Konturen ist eine schnelle Bewertung der Passgenauigkeit des Prozesses möglich. Sind die kongruenten Konturen entsprechend der Soll-Maße passgenau zueinander, so ist der Prozess unter dem verwendeten Korrekturfaktor passgenau. Wird keine ausreichende Passgenauigkeit der kongruenten Konturen erreicht, ist der verwendete Korrekturfaktor nicht geeignet und muss angepasst werden. Das Verfahren kann dann erneut durchlaufen werden, wobei dann der angepasste Korrekturfaktor als initialer Korrekturfaktor verwendet wird. Großer Vorteil des Verfahrens ist, dass für die Bewertung der Passgenauigkeit kein weiteres Messmittel verwendet werden muss. Die Bewertung der Passgenauigkeit erfolgt nur über die Bewertung der Passgenauigkeit der zueinander kongruenten Konturen der beiden Segmente.
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Der Prüfkörper besteht damit aus einem ersten Segment und einem zweiten Segment und das erste Segment und das zweite Segment weisen zueinander kongruente Konturen auf.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Segment aus einem Material in einer Fertigungsanlage mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren und das zweite Segment aus dem gleichen Material in derselben Fertigungsanlage mit demselben Rapid-Prototyping-Verfahren räumlich getrennt vom ersten Segment hergestellt werden.
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Jede der beiden genannten Ausgestaltungen ermöglicht die Überprüfung eines Korrekturfaktors innerhalb einer Anlage für ein bestimmtes Material. Die Überprüfung der Korrekturfaktoren innerhalb einer Anlage für ein bestimmtes Material ist nötig, da auch technische Ausrüstungen ständigen Veränderungen unterliegen und sich durch Alterung und/oder Verschleiß während der Nutzung die Fertigungsgenauigkeit ändern können und korrigiert werden müssen.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden das erste Segment und das zweite Segment aus einem gleichen Material in unterschiedlichen Fertigungsanlagen mit einem gleichen Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt. Durch die Zweiteiligkeit des Prüfkörpers können die Korrekturfaktoren zweier verschiedener Anlagen direkt miteinander bewertet und aufeinander abgestimmt werden.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass das erste Segment und das zweite Segment aus einem gleichen Material in unterschiedlichen Fertigungsanlagen mit unterschiedlichen Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung werden das erste Segment und das zweite Segment aus unterschiedlichen Materialien in unterschiedlichen Fertigungsanlagen mit verschiedenen Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass eines der beiden Segmente mit einem umformenden Fertigungsverfahren oder einem abtragenden Fertigungsverfahren hergestellt wird.
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Die Zweiteiligkeit des Prüfkörpers ermöglicht damit die Bewertung der Korrekturfaktoren auch für den Einsatz verschiedener Rapid-Prototyping-Verfahren oder bei der Kombination von Rapid-Prototyping-Verfahren mit umformenden oder abtragenden Fertigungsverfahren. Dies ist insbesondere dann notwendig, wenn Objekte, welche aus unterschiedlichen Materialien in unterschiedlichen Fertigungsverfahren unter Einhaltung der Passgenauigkeit gefertigt werden müssen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Prüfkörpers sieht vor, dass das erste Segment als ein konischer Stopfen und dass das zweite Segment als Quader ausgebildet sind und das zweite Segment ein Durchgangsloch von einer Stirnseite des Quaders zu einer hierzu gegenüberliegenden Stirnseite des Quaders aufweist und dass die Innenwandung des Durchgangslochs und die Mantelfläche des Stopfens zueinander kongruente Konturen aufweisen.
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Das Prüfverfahren zur Bewertung eines Korrekturfaktors mit einem derartigen Prüfkörper sieht vor, dass der konische Stopfen entsprechend der kongruenten Konturen in das Durchgangsloch eingesetzt wird und dass eine Bewertung der Passgenauigkeit des Rapid-Prototyping-Verfahrens und damit des Korrekturfaktors darüber erfolgt, ob die Stirnflächen des konischen Stopfens und die Stirnseiten des Quaders in einer Ebene liegen. Durch die Lage des Stopfens im Durchgangsloch ist eine schnelle Bewertung der Passgenauigkeit des Prozesses möglich. Sind der Stopfen und das Durchgangsloch passgenau, so liegen die Stirnflächen des konischen Stopfens und die Stirnseiten des Quaders in einer Ebene. Bei mangelnder Passgenauigkeit liegen die Stirnseiten nicht in einer Ebene, der Stopfen liegt also entweder zu tief im Durchgangsloch oder nicht vollständig im Durchgangsloch.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 Ablaufschema zum Aufbau eines Objektes bei Nutzung eines Prüfkörpers
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2 Erfindungsgemäßer Prüfkörper in perspektivischer Ansicht
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3 Aufsicht des in 1 dargestellten Prüfkörpers
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4a Aufsicht der passgenau zueinander angeordneten Segmente
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4b Seitlicher Querschnitt zu 3a
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5a Aufsicht nicht passgenau zueinander angeordneter Segmente
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5b Seitlicher Querschnitt zu 4a
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6a Weitere Aufsicht nicht passgenau zueinander angeordneter Segmente
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6b Seitlicher Querschnitt zu 5a
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1 zeigt eine schematische Darstellung zum Aufbau eines Objektes mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren unter Nutzung eines Prüfkörpers 1 (2) für die Bewertung eines Korrekturfaktors, welcher für die Erstellung eines Steuerungsdatensatzes verwendet wird. Der Prüfkörper 1 wird vor dem Aufbau des eigentlichen Objektes hergestellt. Anschließend wird dieser mit einem Bezugsnormal verglichen, womit die Eignung des verwendeten Korrekturfaktors bewertet wird. Sofern für den verwendeten Korrekturfaktor die gewünschte Passgenauigkeit erreicht wird, kann die Herstellung des eigentlichen Objektes unter Nutzung dieses Korrekturfaktors erfolgen. Wird die gewünschte Passgenauigkeit nicht erreicht, muss der Korrekturfaktor angepasst und erneut bewertet werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ein erstes Segment 2 (2) und ein zweites Segment 3 (2) des Prüfkörpers 1 mit einem initialen Korrekturfaktor hergestellt werden. Der initiale Korrekturfaktor kann dabei beispielsweise ein maschinen- oder materialseitig vorgegebener Korrekturfaktor eines Anlagenherstellers oder ein in einer Fertigung empirisch ermittelter Korrekturfaktor sein. Bei der Herstellung des ersten Segmentes 2 und des zweiten Segmentes 3 werden an diesen zueinander kongruente Konturen ausgebildet. Nach der Fertigstellung der beiden Segmente 2, 3 werden das erste Segment 2 und das zweite Segment 3 des Prüfkörpers 1 entsprechend ihrer kongruenten Konturen zueinander angeordnet. Anhand der Passgenauigkeit der kongruenten Konturen zueinander kann dann eine Bewertung des Korrekturfaktors erfolgen.
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2 zeigt eine mögliche Ausführung eines erfindungsgemäßen Prüfkörpers 1 in perspektivischer Ansicht. Der Prüfkörper 1 ist zweiteilig ausgebildet, wobei ein erstes Segment 2 als konischer Stopfen ausgestaltet ist. Ein zweites Segment 3 ist quaderförmig ausgebildet, wobei der Quader ein Durchgangsloch von einer Stirnseite zu einer hierzu gegenüberliegenden Stirnseite des Quaders aufweist. Das Durchgangsloch ist trichterförmig ausgebildet, sodass die Innenwandung des Durchgangsloches und die Mantelfläche des Stopfens zueinander kongruente Konturen aufweisen.
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Die Herstellung der Segmente 2, 3 kann derart ablaufen, dass das erste Segment 2 aus einem Material in einer Fertigungsanlage mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren und zeitversetzt das zweite Segment 3 aus dem gleichen Material in derselben Fertigungsanlage mit demselben Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt wird. Ebenso kann das erste Segment 2 aus einem Material in einer Fertigungsanlage mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren und das zweite Segment 3 aus dem gleichen Material in derselben Fertigungsanlage mit demselben Rapid-Prototyping-Verfahren räumlich getrennt vom ersten Segment 2 hergestellt werden.
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Durch die zweiteilige Gestaltung des Prüfkörpers 1 ist es weiterhin möglich, die Korrekturfaktoren verschiedener Rapid-Prototyping-Verfahren oder verschiedener Maschinen oder für unterschiedliche Materialien zu bewerten und aufeinander abzustimmen.
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Hierzu werden beispielsweise das erste Segment 2 und das zweite Segment 3 aus einem Material in unterschiedlichen Fertigungsanlagen mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt. Ebenso kann das erste Segment 2 und das zweite Segment 3 aus einem Material in unterschiedlichen Fertigungsanlagen mit unterschiedlichen Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellt werden. Weiterhin ist es möglich, das erste Segment 2 und das zweite Segment 3 aus unterschiedlichen Materialien in unterschiedlichen Fertigungsanlagen mit verschiedenen Rapid-Prototyping-Verfahren herzustellen.
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Ebenso kann das Verfahren zum gegenseitigen Abstimmen von Rapid-Prototyping-Verfahren mit umformenden oder abtragenden Fertigungsverfahren verwendet werden. Hierzu wird eines der beiden Segmente 2, 3 mit einem umformenden Fertigungsverfahren oder einem abtragenden Fertigungsverfahren hergestellt. Als umformendes Fertigungsverfahren können beispielsweise Strangpressen oder Biegen, als abtragendes Fertigungsverfahren beispielsweise Fräsen zum Einsatz kommen.
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Vom Grundsatz her ist das erfindungsgemäße Verfahren auch dahingehend nutzbar, dass zunächst das erste Segment und zeitversetzt das zweite Segment hergestellt wird und damit die zeitliche Stabilität des Fertigungsprozesses zu überprüfen.
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Im Folgenden wird die Bewertung des Korrekturfaktors mit einem Prüfkörper 1 gemäß 2 gemäß erfindungsgemäßem Verfahren erläutert. Beispielhaft wird davon ausgegangen, dass die Segmente 2, 3 des Prüfkörpers 1 mittels Laser-Sintern gefertigt werden, wobei das erste Segment 2 an einer Maschine und das zweite Segment 3 an einer weiteren Maschine hergestellt wird. In beiden Maschinen wird in einem ersten Schritt zunächst das Ausgangsmaterial in Pulverform mit definierter Schichtdicke auf eine Arbeitsplattform aufgetragen. Entsprechend der Geometriedaten wird dann ein Laserstrahl entlang der Oberfläche der Pulverschicht geführt, wobei das Pulver durch die Einwirkung des Laserstrahls gesintert oder eingeschmolzen wird. Nach der Fertigstellung der ersten Schicht, wird die Arbeitsplattform abgesenkt und eine weitere Pulverschicht aufgetragen, die ebenfalls entsprechend der Zielgeometrie des jeweiligen Segmentes des Prüfkörpers lokal gesintert bzw. eingeschmolzen wird. Die Führung des Laserstrahls beeinflusst dabei Passgenauigkeit der hergestellten Objekte entscheidend. Je nach Material oder Maschine wird die Führung des Laserstrahls mittels Korrekturfaktoren angepasst.
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3 zeigt eine Aufsicht der beiden in 2 dargestellten Segmente 2, 3, wobei am ersten Segment 2 eine Segmentkontur 4 und am zweiten Segment 3 eine Segmentkontur 5 dargestellt sind. Die Führung eines Wirkbereiches 6, 7 der Laserstrahlung wird anhand einer Laserbahn 8, 9 symbolisiert.
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Nach der Fertigstellung des ersten Segmentes 2 und des zweiten Segmentes 3 werden diese entsprechend ihrer kongruenten Konturen zueinander angeordnet. Hierfür wird der Stopfen (erstes Segment 2) in das Durchgangsloch des zweiten Segmentes 3 eingesetzt.
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4a zeigt eine Aufsicht der beiden ineinander gesetzten Segmente 2, 3 des Prüfkörpers 1. Bei guter Passgenauigkeit liegen die zueinander kongruenten Konturen der beiden Segmente 2, 3 entsprechend der Zielgeometrie des Prüfkörpers 1 direkt aneinander. Im vorliegenden Fall sind die zueinander kongruenten Konturen die Mantelfläche des Stopfens und die Innenwandung des Quaders. 4b zeigt einen seitlichen Querschnitt des Prüfkörpers 1 aus 4a. Der konische Stopfen liegt dabei so im Durchgangsloch, dass die Stirnflächen des konischen Stopfens und die Stirnseiten des Quaders in einer Ebene liegen. Damit wird die gewünschte Passgenauigkeit des Prozesses erreicht und die Korrekturfaktoren können für die Herstellung des eigentlichen Objektes verwendet werden.
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5a zeigt eine Aufsicht der beiden ineinander gesetzten Segmente 2, 3 des Prüfkörpers 1 bei schlechter Passgenauigkeit. Die für die Herstellung des Prüfkörpers 1 gewählten Korrekturfaktoren führen dazu, dass zwischen den Segmentkonturen 4, 5 eine Lücke ausgebildet wird. 5b zeigt einen seitlichen Querschnitt zur Darstellung aus 5a. Das in das zweite Segment 3 eingesetzte erste Segment 2 sitzt zu tief im Durchgangsloch. Die Stirnflächen des konischen Stopfens und die Stirnseiten des Quaders liegen damit nicht in einer Ebene. Somit sind die gewählten Korrekturfaktoren nicht geeignet und müssen angepasst werden. Nach der Anpassung kann das Verfahren zur erneuten Bewertung nochmals durchgeführt werden.
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6a zeigt eine weitere Aufsicht zweier ineinander gesetzter Segmente 2, 3 des Prüfkörpers 1 bei schlechter Passgenauigkeit. Der gewählte Korrekturfaktor führt dazu, dass der Steuerungsdatensatz für die Führung des Lasers zu weit gestaucht wird und damit das Durchgangsloch zu eng für den konischen Stopfen ausgebildet wird. In 6b ist ein seitlicher Querschnitt zur Darstellung aus 6a gezeigt. Das in das zweite Segment eingesetzte erste Segment sitzt nicht vollständig im Durchgangsloch. Die Stirnflächen des konischen Stopfens und die Stirnseiten des Quaders liegen damit nicht in einer Ebene. Somit sind die gewählten Korrekturfaktoren nicht geeignet und müssen angepasst werden.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht auf die Ausführung des beschriebenen Prüfkörpers beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Prüfkörper
- 2
- erstes Segment
- 3
- zweites Segment
- 4
- Segmentkontur
- 5
- Segmentkontur
- 6
- Wirkbereich des Lasers
- 7
- Wirkbereich des Lasers
- 8
- Laserbahn
- 9
- Laserbahn
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004009126 A1 [0005]
- EP 2823952 A1 [0005]
- DE 102010041461 A1 [0007]
- DE 19947576 C1 [0008]
