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HINTERGRUND
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft die Herstellung von Komponenten. Insbesondere betrifft der hierin offenbarte Gegenstand die Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität in additiv gefertigten Komponenten.
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Additive Fertigung ist eine zunehmend verbreitete Methode zur Herstellung von Komponenten in verschiedenen Bereichen, einschließlich des industriellen Bereiches. Additive Fertigungsprozesse können die Konstruktionszykluszeit und den Materialabfall reduzieren und können eine größere Flexibilität bei der Fertigung kundenspezifischer Komponenten ermöglichen. Jedoch können Komponenten, die von additiven Fertigungsprozessen erzeugt werden, besonderen Belastungen und strukturellen Problemen ausgesetzt sein. Herkömmliche Methoden zur additiven Fertigung von Komponenten berücksichtigen diese besonderen Belastungen und strukturellen Probleme nicht.
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KURZBESCHREIBUNG
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Verschiedene Aspekte der Offenbarung umfassen additiv gefertigte Komponenten und zugehörige Prozesse zur Erzeugung derartiger Komponenten. In einigen Fällen enthält ein Verfahren zur Erzeugung einer additiv gefertigten Komponente: Identifizieren einer Zielstelle in einem Datenmodell, das eine herzustellende Komponente repräsentiert; Hinzufügen eines verstärkten Bereiches in der Nähe der Zielstelle in dem Datenmodell; und additives Fertigen der Komponente, einschließlich der Zielstelle und des verstärkten Bereiches, wobei die additive Fertigung enthält: Bilden der additiv gefertigten Komponente; und Wärmebehandeln der additiv gefertigten Komponente, einschließlich des verstärkten Bereiches, nach dem Bilden.
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Ein erster Aspekt der Offenbarung enthält eine Komponente, die aufweist: einen Körper, der durch additive Fertigung gebildet ist; eine Zielstelle innerhalb des Körpers, wobei die Zielstelle wenigstens eine von einer Öffnung, einer Kante oder einer Ecke in dem Körper enthält; und einen verstärkten Bereich, der die Zielstelle wenigstens teilweise umgibt, wobei der verstärkte Bereich eine größere Dicke als ein von der Zielstelle weiter entfernter Abschnitt des Körpers, gemessen durch den Körper hindurch, aufweist.
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In der zuvor erwähnten Komponente kann der verstärkte Bereich in Bezug auf die Zielstelle, entweder quer durch den Zielbereich oder um den Zielbereich herum, asymmetrisch sein.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Komponente kann der Körper einen doppelwandigen Körper enthalten, der durch einen Zwischenraum getrennt ist, und der verstärkte Bereich kann zwei verschiedene verstärkte Bereiche, jeder in einer Wand des doppelwandigen Körpers, enthalten.
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In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Komponente kann die Öffnung eine halbmondförmige Öffnung, wie von einer äußeren Oberfläche des Körpers aus gesehen, enthalten.
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In einigen Ausführungsformen kann der Körper einen einwandigen Körper enthalten, und der verstärkte Bereich kann in einer Richtung senkrecht zu einer äußeren Oberfläche des Körpers gemessen werden.
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Insbesondere kann der verstärkte Bereich eine Dicke zwischen ungefähr einer maximalen Toleranz einer Dicke des einwandigen Körpers und ungefähr der doppelten Dicke des einwandigen Körpers aufweisen.
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In jeder beliebigen vorstehend erwähnten Komponente kann die Zielstelle einen Bereich enthalten, der einer strukturellen Beeinträchtigung infolge einer Wärmebehandlung unterliegt.
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Ein zweiter Aspekt der Offenbarung enthält ein Verfahren zur Erzeugung einer additiv gefertigten Komponente, das enthält: Identifizieren einer Zielstelle in einem Datenmodell, das eine herzustellende Komponente repräsentiert; Hinzufügen eines verstärkten Bereiches in der Nähe der Zielstelle in dem Datenmodell; und additives Fertigen der Komponente, einschließlich der Zielstelle und des verstärkten Bereiches, wobei das additive Fertigen enthält: Bilden der additiv gefertigten Komponente; und Wärmebehandeln der additiv gefertigten Komponente, einschließlich des verstärkten Bereiches, nach dem Bilden.
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In dem zuvor erwähnten Verfahren kann das Identifizieren der Zielstelle ein Analysieren des Datenmodells enthalten, um wenigstens einen Bereich einer strukturellen Beeinträchtigung zu detektieren.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Identifizieren der Zielstelle ein Analysieren einer hergestellten Probe der Komponente enthalten, um wenigstens einen Bereich einer strukturellen Beeinträchtigung zu detektieren, wobei das Analysieren nach dem Wärmebehandeln der additiv gefertigten Komponente durchgeführt wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens können ferner ein Identifizieren einer zusätzlichen Zielstelle in der additiv gefertigten Komponente nach dem Wärmebehandeln aufweisen.
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Die zuvor erwähnten bevorzugten Ausführungsformen können vorteilhafterweise ferner aufweisen: Hinzufügen eines zusätzlichen verstärkten Bereiches in der Nähe der zusätzlichen Zielstelle in dem Datenmodell; und additives Fertigen der Komponente, einschließlich der zusätzlichen Zielstelle und des zusätzlichen verstärkten Bereiches.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann die Zielstelle einen Bereich enthalten, der einer strukturellen Beeinträchtigung infolge der Wärmebehandlung unterliegt.
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Ein dritter Aspekt der Offenbarung enthält ein nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium das einen Code speichert, der eine Komponente repräsentiert, wobei die Komponente bei einer Ausführung des Codes durch ein computergestütztes additives Fertigungssystem physisch erzeugt wird, wobei der Code enthält: einen Code, der die Komponente repräsentiert, wobei die Komponente enthält: einen gebildeten Körper; eine Zielstelle innerhalb des Körpers, wobei die Zielstelle wenigstens eine von einer Öffnung, einer Kante oder einer Ecke in dem Körper enthält; und einen verstärkten Bereich, der die Zielstelle wenigstens teilweise umgibt, wobei der verstärkte Bereich eine größere Dicke als ein von der Zielstelle weiter entfernter Abschnitt des Körpers, gemessen durch den Körper hindurch, aufweist.
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In dem zuvor erwähnten Speichermedium kann der verstärkte Bereich in Bezug auf die Zielstelle, entweder quer durch den Zielbereich oder um den Zielbereich herum, asymmetrisch sein.
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In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Speichermediums kann der Körper einen doppelwandigen Körper enthalten, der durch einen Zwischenraum getrennt ist, und der verstärkte Bereich kann zwei unterschiedliche verstärkte Bereiche, jeder in einer Wand des doppelwandigen Körpers, enthalten.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Öffnung eine halbmondförmige Öffnung, wie von einer äußeren Oberfläche des Körpers aus gesehen, enthalten.
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In einigen Ausführungsformen kann der Körper einen einwandigen Körper enthalten, und der verstärkte Bereich kann in einer Richtung senkrecht zu einer äußeren Oberfläche des Körpers gemessen sein.
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In den zuletzt erwähnten Ausführungsformen kann der verstärkte Bereich eine Dicke zwischen ungefähr einer maximalen Toleranz einer Dicke des einwandigen Körpers und ungefähr einer doppelten Dicke des einwandigen Körpers aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Speichermediums kann die Zielstelle einen Bereich enthalten, der einer strukturellen Beeinträchtigung infolge einer Wärmebehandlung unterliegt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale dieser Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung verschiedener Aspekte der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leichter verstanden, die verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung zeigen, in denen:
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1 zeigt ein Flussdiagramm, das Prozesse gemäß verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht einer additiv gefertigten Komponente, bevor Prozesse gemäß verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung durchgeführt werden.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht einer additiv gefertigten Komponente, nachdem sie Prozessen unterzogen worden ist, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung durchgeführt wurden.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht einer additiv gefertigten Komponente, bevor Prozesse gemäß verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung durchgeführt werden.
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5 zeigt eine Querschnittsansicht einer additiv gefertigten Komponente, nachdem sie Prozessen unterzogen worden ist, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung durchgeführt wurden.
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6 zeigt eine ebene Ansicht der Komponente nach 5.
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7 zeigt eine ebene Ansicht einer additiv gefertigten Komponente, bevor Prozesse gemäß verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung durchgeführt werden.
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8 zeigt einen perspektivischen Querschnitt der Komponente nach 7.
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9 zeigt eine ebene Ansicht einer additiv gefertigten Komponente, nachdem sie Prozessen, die gemäß verschiedener Ausführungsformen der Offenbarung durchgeführt werden, unterzogen worden ist.
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10 zeigt einen perspektivischen Querschnitt der Komponente nach 9.
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11 zeigt eine dreidimensionale Perspektivansicht einer additiv gefertigten Komponente vor der Durchführung von Prozessen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung.
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12 zeigt eine dreidimensionale Perspektivansicht einer additiv gefertigten Komponente, nachdem sie Prozessen, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung durchgeführt werden, unterzogen worden ist.
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13 zeigt eine Querschnittsansicht der Komponente nach 12.
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14 zeigt eine dreidimensionale Perspektivansicht einer additiv gefertigten Komponente, bevor Prozesse gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung durchgeführt werden.
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15 zeigt eine dreidimensionale Perspektivansicht einer additiv gefertigten Komponente, nachdem sie Prozessen, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung durchgeführt werden, unterzogen worden ist.
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16 zeigt eine Querschnittsansicht der Komponente nach 15.
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17 zeigt eine ebene Ansicht der Komponente gemäß den 15 und 16.
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18 zeigt ein Blockdiagramm eines additiven Fertigungsprozesses, das ein nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium enthält, das einen Code speichert, der ein Muster repräsentiert, gemäß Ausführungsformen der Offenbarung.
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Es sei erwähnt, dass die Zeichnungen von der Erfindung nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind. Die Zeichnungen sollen lediglich typische Aspekte der Erfindung darstellen und sollten folglich nicht in einem den Schutzumfang der Erfindung beschränkenden Sinne betrachtet werden. In den Zeichnungen repräsentieren gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente unter den Zeichnungen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft die Herstellung von Komponenten. Insbesondere betrifft der hierin offenbarte Gegenstand die Aufrechterhaltung einer strukturellen Integrität in additiv gefertigten Komponenten.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung wird im Unterschied zu herkömmlichen Vorgehensweisen eine Zielstelle (die auch als eine kritische Stelle bezeichnet wird) in einer durch additive Fertigung gebildeten Komponente verstärkt, um eine strukturelle Beeinträchtigung während einer nachfolgenden Wärmebehandlung zu verringern. Demgemäß enthält die additiv gefertigte Komponente einen verstärkten Bereich, z.B. einen Materialaufbau, in der Nähe der Zielstelle.
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1 zeigt ein Flussdiagramm, das verschiedene Prozesse in einer additiven Fertigung einer Komponente gemäß Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht. 2–11 veranschaulichen Querschnitts- und Perspektivansichten von additiv gefertigten Komponenten, die verschiedene Aspekte der Offenbarung veranschaulichen. 3, 5, 6, 9, 10, 12, 13 und 15–17 zeigen additiv gefertigte Komponenten nach Prozessen, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen durchgeführt wurden. Auf besondere Perspektivansichten wird gleichzeitig mit dem Flussdiagramm nach 1 Bezug genommen.
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Indem auf 2 verwiesen wird, ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer herkömmlichen additiv gefertigten Komponente 2 veranschaulicht. Diese Querschnittsdarstellung kann aus einem Datenmodell gebildet sein oder kann eine Darstellung eines Datenmodells zur Bildung einer additiv gefertigten Komponente 2 sein. Datenmodelle sind hier weiter in Bezug auf einen Code 920 (18) erläutert, der verwendet wird, um additiv gefertigte Komponenten 2, 10 und andere Komponenten zu erzeugen. Additiv gefertigte (AM-, additively manufactured) Komponenten 10, die in den 3, 5, 6, 9, 10, 12, 13 und 15–17 veranschaulicht sind, sind Beispiele für Komponenten, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung gebildet sind. Die AM-Komponenten 10 können einen Körper 12 enthalten, der durch additive Fertigung gebildet ist. Die Details der additiven Fertigung sind hier unter besonderer Bezugnahme auf 18 näher erläutert. Der Körper 12 der additiv gefertigten Komponente 10 kann in einigen Fällen eine oder mehrere Wände 14 enthalten, die eine erste Oberfläche (z.B. innere Oberfläche) 16 und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche (z.B. äußere Oberfläche) 18 aufweisen. Es wird verstanden, dass die Ausdrücke erste Oberfläche 16 und zweite Oberfläche 18 lediglich dazu bestimmt sind, als relative Ausdrücke zu dienen, und sie können einfach anzeigen, dass eine Oberfläche der anderen gegenüberliegt. In verschiedenen Ausführungsformen sind beide Oberflächen 16, 18 äußere oder innere Oberflächen, die entweder Umgebungs- oder anderen äußeren Bedingungen (z.B. Dampf, Gas, etc.) ausgesetzt sind oder mit einem inneren oder enthaltenen Fluid (z.B. Luft) in Kontakt stehen.
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In jedem Fall kann die AM-Komponente 10 ferner eine Zielstelle 20 im Inneren des Körpers 12 enthalten. Die Zielstelle 20 kann einen beliebigen Bereich enthalten, der einer strukturellen Beeinträchtigung infolge eine Wärmebehandlung während des additiven Fertigungsprozesses unterliegt. Das heißt, die Zielstelle 20 kann einen oder mehrere Bereiche enthalten, in denen eine Wärmebehandlung eine Rissbildung, einen Bruch, eine übermäßige Belastung, etc. in dem Körper 12 hervorrufen kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Zielstelle 20 eine Öffnung 22 enthalten, die sich zwischen der ersten Oberfläche 16 und der zweiten Oberfläche 18 erstrecken kann.
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In einigen Fällen, wie z.B. in den schematischen Darstellungen der 2–17 veranschaulicht, kann (können) die Stelle(n) 20 verschiedene Arten von Öffnungen 22 enthalten. Zum Beispiel veranschaulichen die 5 und 6 eine halbkreisförmige (oder halbmondförmige) Öffnung 24, betrachtet von einer von der ersten Oberfläche 16 oder der zweiten Oberfläche 18 aus. 9 und 10 veranschaulichen eine sphärische (oder länglich geformte) Öffnung 26, wie von einer von der ersten Oberfläche 16 oder der zweiten Oberfläche 18 aus gesehen. In den 8 und 10 ist ein doppelwandiger Körper 28 veranschaulicht, der zwei verschiedene Wände 30 enthält, die jeweils eine erste Oberfläche 16 und eine zweite Oberfläche 18 aufweisen. 15–17 veranschaulichen weitere Ausführungsformen, in denen eine Zielstelle 20 eine Kante oder eine Ecke 32 in dem Körper 12 enthält.
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Zurückkehrend zu 1, unter Bezugnahme auf die 2–17, kann ein erster Prozess (Prozess P1) in einem Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen ein Identifizieren einer Zielstelle 20 in dem Datenmodell (Code 920, 18), der die AM-Komponente 10 repräsentiert, enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen kann dies ein Identifizieren wenigstens eines Bereiches einer strukturellen Beeinträchtigung, wie etwa eines Formmerkmals, z.B. der Öffnung 24, 26 oder einer Kante oder Ecke 32, in dem Datenmodell, das die AM-Komponente 10 repräsentiert, enthalten. Der Bereich der strukturellen Beeinträchtigung kann eine Stelle sein, von der bekannt ist, dass sie während einer Wärmebehandlung der AM-Komponente 10 einem Bruch, einer Beanspruchung, einer Rissbildung oder einer anderen strukturellen Beschädigung unterliegt, oder kann ein Bereich sein, der durch eine Modellierungssoftware als einem Bruch, einer Beanspruchung, einer Rissbildung oder einer anderen strukturellen Beschädigung nach einer Wärmebehandlung unterliegend identifiziert wird. In anderen Ausführungsformen kann dieser Prozess ein anfängliches Identifizieren der Zielstelle 20 in einer hergestellten Probe der AM-Komponente 10 und ein nachfolgendes Vormerken dieser Zielstelle 20 in dem Datenmodell (Code 920), das dieser AM-Komponente 10 zugeordnet ist (z.B. zur Bildung dieser verwendet wird) enthalten. In diesen Fällen enthält der Prozess ein Analysieren einer hergestellten Probe der AM-Komponente 10 enthalten, um wenigstens einen Bereich einer strukturellen Beeinträchtigung, nachdem die AM-Komponente 10 wärmebehandelt worden ist, zu detektieren. Die AM-Komponente 10 kann durch beliebige herkömmliche optische und/oder mechanische Belastungsidentifikationstests analysiert werden.
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Nach der Identifikation der Zielstelle(n) 20 kann ein Prozess P2 ein Hinzufügen wenigstens eines verstärkten Bereiches 35 in der Nähe der Zielstelle 20 in dem Datenmodell (Code 920) enthalten. 3, 5–7, 9, 10, 12, 13 und 15–17 veranschaulichen jeweils unterschiedliche Beispiele von verstärkten Bereichen 35 in der Nähe von Zielstellen 20. Indem z.B. auf die 5–7, 9, 10, 12, 13 und 15–17 Bezug genommen wird, kann der verstärkte Bereich 35 die Zielstelle 20 wenigstens teilweise umgeben. In verschiedenen Ausführungsformen enthält der verstärkte Bereich 35 einen Aufbau oder eine Verdickung aus einem Material, das zur Erzeugung der AM-Komponente 10 verwendet wird, in der Nähe der Zielstelle 20. Gemäß hierin beschriebenen Prozessen wird der verstärkte Bereich 35 zu dem Datenmodell (in dem Code 920, 18) zu einem Bereich in der Nähe der Zielstelle 20 hinzugefügt, um diesen Bereich zu verdicken, z.B. indem der Körper 20 dicker gemacht wird, bspw. durch Vergrößerung eines Abstands zwischen der ersten Oberfläche 16 und der zweiten Oberfläche 18 in der Nähe der Zielstelle 20. Wie z.B. in 3 veranschaulicht, weist der verstärkte Bereich 35 in verschiedenen Ausführungsformen eine größere Dicke (tRR) als ein Abschnitt 31 des Körpers 12 (mit einer Dicke (tB)) weiter entfernt von der Zielstelle 20, gemessen durch den Körper 12 hindurch, z.B. gemessen in einer Richtung senkrecht zu einer Außenfläche (z.B. der ersten Oberfläche 16) des Körpers 12 oder gemessen zwischen der ersten Oberfläche 16 und der zweiten Oberfläche 18, auf. In einigen Fällen liegt tRR zwischen ungefähr einer maximalen Toleranz von tB und ungefähr dem Zweifachen von tB.
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Nach der Hinzufügung des (der) verstärkten Bereiche(s) 35 zu dem Datenmodell (dem Code 920 für die AM-Komponente 10) kann der Prozess P3 ein additives Fertigen der Komponente 10, einschließlich der Zielstelle 20 und des (der) verstärkten Bereiche(s) 35, enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen enthält dieser Prozess ein Bilden der AM-Komponente 10 und anschließendes Wärmebehandeln dieser AM-Komponente 10, einschließlich des verstärkten Bereiches 35. Wie hierin erwähnt, kann die Wärmebehandlung ein Aushärtenlassen oder ein sonstiges Aussetzen der hergestellten AM-Komponente 10 einer wärmebasierten Erstarrung enthalten.
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In einigen Fällen können zusätzliche Prozesse nach der Wärmebehandlung durchgeführt werden, und sie können enthalten:
Prozess P4: Identifizieren einer zusätzlichen Zielstelle 20 in der AM-Komponente 10 nach der Wärmebehandlung. In diesem Fall kann die AM-Komponente 10 z.B. durch beliebige herkömmliche optische und/oder mechanische Beanspruchungserkennungstests, wie hierin erwähnt, analysiert werden.
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Ein Prozess P5 und ein Prozess P6 können den Prozessen P2 und P3, wie vorstehend erwähnt, im Wesentlichen ähnlich sein, wobei der Prozess P5 ein Hinzufügen eines zusätzlichen verstärkten Bereiches 35 in der Nähe der zusätzlichen Zielstelle 20 in dem Datenmodell (Code 920) enthält; und der Prozess P6 enthält ein additives Fertigen der AM-Komponente 10 (z.B. einer zusätzlichen Probe), die die zusätzliche Zielstelle 20 und den zusätzlichen verstärkten Bereich 35 enthält. Es wird verstanden, dass eine additive Fertigung der AM-Komponente 10 in dem Prozess P6 ein Herstellen einer zusätzlichen Probe der AM-Komponente 10, das heißt eine neue Iteration der AM-Komponente 10 mit (einem) zusätzlich verstärkten Bereich(en) 35, enthalten kann.
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Zurückkehrend zu den 3, 9 und 10 wird verstanden, dass dieser verstärkte Bereich 35 gemäß verschiedenen Ausführungsformen asymmetrisch in Bezug auf die Zielstelle 20 ausgebildet sein kann, so dass der verstärkte Bereich 35 einen ersten Bereich 40 mit einer ersten Dicke und einen zweiten Bereich 50 mit einer (von der ersten Dicke verschiedenen) zweiten Dicke enthalten kann, um die Zielstelle 20 herum. In einigen Fällen ist der verstärkte Bereich 35 quer durch den Zielbereich 20 asymmetrisch, wie in den 3 und 15–17 veranschaulicht. In anderen Fällen ist der verstärkte Bereich 35 asymmetrisch um den Zielbereich 20 herum, so dass eine höhere Konzentration des Verstärkungsmaterials an einem ersten Bereich 20 benachbart zu dem Zielbereich 20 im Vergleich zu einem zweiten Bereich 50 entlang einer gemeinsamen Oberfläche (z.B. der ersten Oberfläche 16 oder der zweiten Oberfläche 18) des Körpers 12 angeordnet ist. Dieses Szenario ist in 9 veranschaulicht.
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In verschiedenen Ausführungsformen, wie in den 9 und 10 veranschaulicht, enthält der verstärkte Bereich 35 in dem Fall eines doppelwandigen Körpers 28 (mit einem Zwischenraum 29 zwischen den Wänden 30) zwei verschiedene verstärkte Bereiche 35, jeder in einer Wand 30 des doppelwandigen Körpers 28. In verschiedenen Ausführungsformen ist der Zwischenraum 29 an den verstärkten Bereichen 35 verengt, gemessen zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen (z.B. den zweiten Oberflächen 18) der Wände 28.
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In jedem Fall ermöglichen die hierin veranschaulichten und beschriebenen AM-Komponenten eine Verstärkung von Zielbereichen, z.B. denjenigen Bereichen, die einer strukturellen Beeinträchtigung unterliegen. Die gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung erzeugten AM-Komponenten haben den technischen Effekt einer Reduktion des Materialversagens in verschiedenen Systemen, die derartige Komponenten verwenden.
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Wie hierin verwendet, kann additive Fertigung (AM, additive manufacturing) einen beliebigen Prozess zur Erzeugung eines Objektes durch die aufeinanderfolgende Schichtung eines Materials anstatt durch die Entfernung von Material, was bei herkömmlichen Prozessen der Fall ist, enthalten. Additive Fertigung kann komplexe Geometrien ohne die Verwendung irgendeiner Art von Werkzeugen, Gießformen oder Spanneinrichtungen und mit wenig oder ohne Abfallmaterial schaffen. Anstatt Komponenten aus festen Blöcken aus Kunststoff maschinell herzustellen, von denen ein Großteil weggeschnitten und weggeworfen wird, ist das einzige Material, das bei der additiven Fertigung verwendet wird, dasjenige, das zur Formung des Teils erforderlich ist. Additive Fertigungsprozesse können einschließlich, jedoch nicht darauf beschränkt, enthalten: 3D-Drucken, Rapid Prototyping (RP, schneller Modellbau), direkte digitale Fertigung (DDM, direct digital manufacturing), selektives Laserschmelzen (SLM, selective laser melting) und direktes Metall-Laser-Schmelzen (DMLM).
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Um ein Beispiel für einen additiven Fertigungsprozess zu veranschaulichen, zeigt 18 eine schematische Ansicht/Blockansicht eines anschaulichen computergestützten additiven Fertigungssystems 900 zur Erzeugung eines Objektes 902. In diesem Beispiel ist das System 900 zum DMLM eingerichtet. Es wird verstanden, dass die allgemeinen Lehren der Offenbarung in gleicher Weise auf andere Formen der additiven Fertigung anwendbar sind. Das Objekt 902 ist als ein doppelwandiges Turbinenelement veranschaulicht; jedoch wird verstanden, dass der additive Fertigungsprozess ohne Weiteres angepasst werden kann, um die AM-Komponente 10 herzustellen. Das AM-System 900 enthält allgemein ein Steuersystem 904 zur computergestützten additiven Fertigung (AM) und einen AM-Drucker 906. Das AM-System 900, wie es nachstehend beschrieben ist, führt einen Code 920 (z.B. ein Modell) aus, der einen Satz computerausführbarer Instruktionen enthält, die die AM-Komponente 10 definieren, um das Objekt unter Verwendung des AM-Druckers 906 physisch zu erzeugen. Jeder AM-Prozess kann verschiedene Rohmaterialien, z.B. in Form eines feinkörnigen Pulvers, einer Flüssigkeit (z.B. von Polymeren), einer Bahn, etc., verwenden, von denen ein Vorrat in einer Kammer 910 des AM-Druckers 906 vorgehalten werden kann. In dem vorliegenden Fall kann die AM-Komponente 10 aus Kunststoff/Polymeren oder ähnlichen Materialien hergestellt sein. Wie veranschaulicht, kann ein Applikator 912 eine dünne Schicht des Rohmaterials 914 erzeugen, die als das blanke Tuch ausgebreitet wird, von dem aus jede nachfolgende Schicht des endgültigen Objektes erzeugt wird. In anderen Fällen kann der Applikator 912 die nächste Schicht unmittelbar auf eine vorherige Schicht aufbringen oder aufdrucken, wie dies durch den Code 920 definiert ist, z.B. dann, wenn das Material ein Polymer ist. In dem veranschaulichten Beispiel schmilzt ein Laser oder Elektronenstrahl 916 Partikel für jede Schicht auf, wie durch den Code 920 definiert, wobei dies gegebenenfalls dort nicht erforderlich sein kann, wo ein schnell abbindender flüssiger Kunststoff/schnell abbindendes Polymer verwendet wird. Verschiedene Teile des AM-Druckers 906 können sich bewegen, um die Hinzufügung jeder neuen Schicht aufzunehmen, wobei z.B. eine Aufbauplattform 918 nach jeder Schicht abgesenkt werden kann und/oder die Kammer 910 und/oder der Applikator 912 nach jeder Schicht aufsteigen können.
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Das AM-Steuersystem 904 ist veranschaulicht, wie es auf einem Computer 930 als ein Computerprogrammcode implementiert ist. Insofern ist der Computer 930 veranschaulicht, wie er einen Speicher 932, einen Prozessor 934, eine Eingabe/Ausgabe(E/A)-Schnittstelle 936 und einen Bus 938 enthält. Ferner ist der Computer 930 in Kommunikationsverbindung mit einer externen E/A-Vorrichtung/Ressource 940 und einem Speichersystem 942 veranschaulicht. Im Allgemeinen führt der Prozessor 934 einen Computerprogrammcode, wie etwa das AM-Steuersystem 904, der in dem Speicher 932 und/oder dem Speichersystem 942 gespeichert ist, unter Instruktionen von dem Code 920 aus, der die AM-Komponente 10 repräsentiert, wie hierin beschrieben. Bei der Ausführung des Computerprogrammcodes kann der Prozessor 934 Daten zu/von dem Speicher 932, dem Speichersystem 942, der E/A-Vorrichtung 940 und/oder dem AM-Drucker 906 lesen und/oder schreiben. Der Bus 938 stellt eine Kommunikationsverbindung zwischen jeder der Komponenten in dem Computer 930 bereit, und die E/A-Vorrichtung 940 kann jede beliebige Vorrichtung aufweisen, die einem Benutzer ermöglicht, mit dem Computer 940 zu interagieren (z.B. eine Tastatur, Zeigevorrichtung, Anzeige, etc.). Der Computer 930 ist lediglich für verschiedene mögliche Kombinationen aus Hardware und Software repräsentativ. Zum Beispiel kann der Prozessor 934 eine einzige Verarbeitungseinheit aufweisen, oder er kann über eine oder mehrere Verarbeitungseinheiten an einem oder mehreren Orten, z.B. an einem Client und einem Server, verteilt sein. In ähnlicher Weise kann/können der Speicher 932 und/oder das Speichersystem 942 sich an einem oder mehreren physikalischen Orten befinden. Der Speicher 932 und/oder das Speichersystem 942 kann eine beliebige Kombination von verschiedenen Typen eines nicht-transitorischen computerlesbaren Speichermediums, einschließlich magnetischer Medien, optischer Medien, Direktzugriffsspeicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM), etc., aufweisen. Der Computer 930 kann eine beliebige Art einer Rechenvorrichtung, wie beispielsweise einen Netzwerkserver, einen Desktop-Computer, einen Laptop, ein Handgerät, ein Mobiltelefon, einen Pager, einen persönlichen Datenassistenten, etc., aufweisen.
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Additive Fertigungsprozesse beginnen damit, dass ein nicht-transitorisches computerlesbares Speichermedium (z.B. der Speicher 932, das Speichersystem 942, etc.) den Code 920 speichert, der die AM-Komponente 10 repräsentiert. Wie erwähnt, enthält der Code 920 einen Satz computerausführbarer Instruktionen, die bei einer Ausführung des Codes durch das System 900 die AM-Komponente 10 definieren. Zum Beispiel kann der Code 920 ein präzise definiertes 3D-Modell der AM-Komponente 10 enthalten, und er kann aus beliebigen von einer großen Vielfalt allgemein bekannter Softwaresysteme zum computergestützten Entwurf (CAD), wie etwa AutoCAD®, TurboCAD®, DesignCAD 3D Max, etc. generiert werden. In dieser Hinsicht kann der Code 920 ein beliebiges heutzutage bekanntes oder künftig entwickeltes Dateiformat einnehmen. Zum Beispiel kann der Code 920 in der Standard Tesselation Language (STL) vorliegen, die für Stereolithographie-CAD-Programme von 3D Systemen geschaffen worden ist, oder als eine additive Fertigungsdatei (AMF, additive manufacturing file), die ein Standard der American Society of Mechanical Engineers (ASME, Berufsverband der Maschinenbauingenieure in den USA) ist, der ein Format auf der Basis einer erweiterbaren Auszeichnungssprache (XML, extensible markup-language) ist, der entworfen ist, um jeder beliebigen CAD-Software zu ermöglichen, die Gestalt und Zusammensetzung eines beliebigen dreidimensionalen Objektes zu beschreiben, das auf einem beliebigen AM-Drucker hergestellt werden soll. Der Code 920 kann zwischen verschiedenen Formaten übersetzt, in einen Satz von Datensignalen umgewandelt und übertragen, als ein Satz von Datensignalen empfangen und in einen Code umgewandelt, gespeichert, etc. werden, wie dies erforderlich ist. Der Code 920 kann eine Eingabe zu dem System 900 sein und kann von einem Teileentwickler, einem Dienstleister für geistiges Eigentum (IP, intellectual property), einem Designunternehmen, dem Betreiber oder Besitzer des Systems 900 oder von anderen Quellen herrühren. In jedem Fall führt das AM-Steuersystem 904 den Code 920 aus, wobei es die AM-Komponente 10 in eine Reihe dünner Scheiben unterteilt, die es unter Verwendung des AM-Druckers 906 in aufeinanderfolgenden Schichten eines flüssigen, pulverförmigen, bahnartigen oder sonstigen Materials zusammenfügt. In dem DMLM-Beispiel wird jede Schicht auf die exakte Geometrie, die durch den Code 920 definiert ist, aufgeschmolzen und mit der vorherigen Schicht verschmolzen. Anschließend kann die AM-Komponente 10 beliebigen vielfältigen Endverarbeitungsprozessen, wie einer geringfügigen maschinellen Bearbeitung, Versiegelung, Polieren, Montage an einem anderen Teil der Zünderspitze, etc., unterworfen werden.
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Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck der Beschreibung bestimmter beispielhafter Ausführungsformen und soll nicht beschränkend sein. In dem hierin verwendeten Sinne sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der“, „die“ bzw. „das“ auch die Pluralformen umfassen, sofern aus dem Kontext nicht deutlich was anderes hervorgeht. Die Ausdrücke „aufweist“, „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sind einschließend und geben folglich die Gegenwart der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten an, schließen jedoch die Gegenwart oder Aufnahme einer/eines oder mehrerer weiterer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder deren Gruppen nicht aus. Die Verfahrensschritte, Prozesse und Operationen, die hierin beschrieben sind, sollen nicht derart aufgefasst werden, als würden sie notwendigerweise ihre Durchführung in der erläuterten oder veranschaulichten speziellen Reihenfolge erfordern, sofern diese nicht als eine Durchführungsreihenfolge speziell angegeben ist. Es sollte ferner verstanden werden, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können.
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Räumlich relative Begriffe, wie bspw. „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen, können hierin zur Erleichterung der Beschreibung verwendet werden, um die Beziehung eines Elementes oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen, wie in den Figuren veranschaulicht, zu beschreiben. Räumlich relative Begriffe können dazu gedacht sein, verschiedene Orientierungen der Vorrichtung im Einsatz oder im Betrieb zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung zu umfassen. Falls z.B. die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, würden Elemente, die als „unter“ oder „unterhalb“ von anderen Elementen oder Merkmalen beschrieben sind, anschließend „über“ den anderen Elementen oder Merkmalen angeordnet sein. Somit kann der beispielhafte Ausdruck „unter“ sowohl eine Anordnung oberhalb als auch unterhalb umfassen. Die Vorrichtung kann in sonstiger Weise angeordnet (um 90° oder zu anderen Ausrichtungen gedreht) werden, und die räumlich relativen Deskriptoren, die hierin verwendet werden, können entsprechend interpretiert werden.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
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Verschiedene Aspekte umfassen additiv gefertigte Komponenten und zugehörige Prozesse zur Erzeugung derartiger Komponenten. In einigen Fällen enthält ein Verfahren zur Erzeugung einer additiv gefertigten Komponente: Identifizieren einer Zielstelle in einem Datenmodell, das eine zu fertigende Komponente repräsentiert; Hinzufügen eines verstärkten Bereiches in der Nähe der Zielstelle in dem Datenmodell; und additives Fertigen der Komponente, einschließlich der Zielstelle und des verstärkten Bereiches, wobei die additive Fertigung enthält: Bilden der additiv gefertigten Komponente; und Wärmebehandeln der additiv gefertigten Komponente, einschließlich des verstärkten Bereiches, nach dem Bilden.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Komponenten
- 10
- AM-Komponente
- 12
- Körper
- 14
- Wände
- 16
- innere Oberfläche
- 18
- äußere Oberfläche
- 20
- Zielstelle
- 22
- Öffnung
- 24
- Öffnung
- 26
- Öffnung
- 28
- Wände
- 29
- Zwischenraum
- 30
- Wände
- 31
- Abschnitt
- 32
- Ecke
- 35
- verstärkter Bereich
- 40
- erster Bereich
- 50
- zweiter Bereich
- 900
- AM-System
- 902
- Objekt
- 904
- AM-Steuersystem
- 906
- AM-Drucker
- 910
- Kammer
- 912
- Applikator
- 914
- Rohmaterial
- 916
- Elektronenstrahl
- 918
- Aufbauplattform
- 920
- Code
- 930
- Computer
- 932
- Speicher
- 934
- Prozessor
- 936
- Eingabe/Ausgabe(E/A)-Schnittstelle
- 938
- Bus
- 940
- externe E/A-Vorrichtung/Ressource
- 942
- Speichersystem
