DE102017202088A1

DE102017202088A1 - Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks, Computerprogrammprodukt zum Ausführen dieses Verfahrens, vorzugsweise auf einem Datenträger, und Maschine zum pulverbettbasierten additiven Herstellen

Info

Publication number: DE102017202088A1
Application number: DE102017202088.1A
Authority: DE
Inventors: Daniel Reznik; Oliver Theile
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-02-09
Filing date: 2017-02-09
Publication date: 2018-08-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum additivien Herstellen eines Werkstücks 11, bei dem eine optische Überwachung der Werkstückoberfläche stattfindet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass aus der Oberflächenüberwachung ein Oberflächenprofil bestimmt wird, welches dazu geeignet ist, Höhenunterschiede h, hfestzustellen. Diese können vorzugsweise bei der Verwirklichung einer Kern-Hülle-Belichtungsstrategie auftreten, bei der eine Kontur 23 bildende Randbereiche des Bauteils 11 mit einem Energiestrahl Ekleineren Durchmessers und geringerer Leistung als ein Mittelbereich belichtet wird, der mit einem Energiestrahl Emit größerem Durchmesser und größerer Leistung belichtet wird. Für den Fall auftretender Höhendifferenzen ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine Zwischenlage z in die Bereiche einzubringen, die aufgrund von Unebenheiten, bedingt durch Fertigungsungenauigkeiten, entstehen. Hierdurch können Höhendifferenzen hinsgesamt kleingehalten werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogrammprodukt, welches zur automatischen Umsetzung des Verfahrens geeignet ist sowie einen computerlesbaren Datenträger mit einem solchen Computerprogrammprodukt und eine Maschine, in der ein Rechner mit dem Computerprogrammprodukt vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Werkstücks, bei dem das Werkstück in Werkstücklagen in einem Pulverbett hergestellt wird, wobei eine Steuereinrichtung einem Ablaufplan folgt, wobei bei dem Verfahren für jede Werkstücklage eine Pulverlage auf das Pulverbett aufgetragen wird, die betreffende Werkstücklage durch selektives Verfestigen der Pulverlage durch einen Energiestrahl, beispielsweise einen Laserstrahl oder einen Elektronenstrahl, erzeugt wird und eine Topographie der betreffenden Werkstücklage nach dem Verfestigen durch den Energiestrahl mit einer Messeinrichtung messtechnisch erfasst wird. Das Verfestigen kann durch Aufschmelzen, Anschmelzen oder Versintern der Partikel erfolgen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zum Ausführen dieses Verfahrens, einen computerlesbaren Datenträger, auf dem ein solches Computerprogrammprodukt installiert ist und eine Maschine zum additiven Herstellen eines Werkstücks, bei dem das Werkstück in Werkstücklagen in einem Pulverbett herstellbar ist.
Ein Verfahren und eine Anlage zum pulverbettbasierten Fertigen von Bauteilen der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise aus der DE 10 2013 214 320 A1 bekannt. Danach ist es möglich, in einer Anlage mit einem Pulverbett Werkstücke durch selektives Verfestigen, also Aufschmelzen oder Versintern der Partikel, herzustellen. Die verfestigte Pulverschicht, die so zur Werkstücklage wird, kann anschließend optisch untersucht werden. Zu diesem Zweck sind zumindest zwei Bilder mit voneinander verschiedenen Beleuchtungseinrichtungen aufzunehmen, um Unregelmäßigkeiten der Schichtoberfläche bestimmen zu können. Die von einer Kamera gelieferten Bilder können dann in einer Steuereinheit verarbeitet werden, um Qualitätsaussagen über die hergestellte Werkstücklage zu erhalten. Auf diese Weise ist eine Qualitätssicherung während des Herstellungsvorganges möglich.
Weiterhin ist es in J. Mazumder et al., „Closed loop direct metal deposition: art to part"; Optics and Lasers in Engineering 34 (2000), S. 397 - 414 beschrieben, dass bei einem ohne Pulverbett durchgeführten additiven Fertigungsverfahren der direkten Metallabscheidung eine optische Überwachung stattfinden kann, um die Dicke der hergestellten Lagen zu beeinflussen. Dadurch, dass das Pulver zur Herstellung der Schicht direkt in das durch den Energiestrahl erzeugte Schmelzbad dosiert werden kann, kann auf Niveauschwankungen direkt im Herstellungsprozess reagiert werden, indem mehr oder weniger Pulver zugeführt wird.
Auch bei pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren, wie dem selektiven Laserschmelzen (SLM), dem selektiven Lasersintern (SLS) und dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM) kann es zu Unebenheiten bei der Herstellung der Werkstücklagen kommen. Um den Produktionsdurchsatz zu erhöhen kann der Energieeintrag in das Pulverbett z.B. mit höherer Leistung und einem größeren Fokusdurchmesser des Energiestrahls durchgeführt werden. Allerdings leidet hierunter die Fertigungsgenauigkeit des Verfahrens, so dass zumindest bei filigranen Strukturen und am die Kontur der betreffenden Werkstücklage definierenden Rand mit geringerer Leistung und geringerem Fokusdurchmesser des Energiestrahls gearbeitet werden muss. Zu diesem Zweck werden Maschinen angeboten, mit denen zwei Energiestrahlen unterschiedlicher Strahlcharakteristik erzeugbar sind. Der leistungsfähigere Energiestrahl wird dann zu vergleichsweise schnellen Fertigung der Innenbereiche der Werkstücklage und der leistungsschwächere Energiestrahl zur Herstellung der Konturen und filigranen Strukturen verwendet. Diese Vorgehensweise wird auch als Kern-Hülle-Strategie bezeichnet.
Durch den höheren Energieeintrag im inneren Bereich der Werkstücklagen kommt es dort auch zu größeren Fertigungsungenauigkeiten. Insbesondere ist in diesem Bereich häufig ein stärkerer Materialauftrag zu verzeichnen, was zu Unebenheiten in der Oberfläche der hergestellten Werkstücklage führt. Dies führt bei nachfolgenden Werkstücklagen zu Qualitätsproblemen. Einerseits wird der Auftrag weiteren Pulvers auf das Pulverbett erschwert. Hier kann es zu Beschädigungen der Dosiervorrichtung oder sogar zum Prozessabbruch kommen. Außerdem kommt es zu heterogenen Strukturen in dem herzustellenden Bauteil, welche beispielsweise dessen mechanische Eigenschaften negativ beeinflussen können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Herstellen von Bauteilen anzugeben, bei dem eine messtechnische Erfassung der Oberfläche der hergestellten Werkstücklagen für eine Korrektur des Herstellungsergebnisses eingesetzt werden kann. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Computerprogrammprodukt anzugeben, welches ein solches Verfahren steuern kann. Weiterhin ist die Aufgabe auf einen computerlesbaren Datenträgers mit solch einem Computerprogrammprodukt bzw. eine Anlage zum Herstellen von Werkstücken im Pulverbett gerichtet, mit der das genannte Verfahren durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird mit dem angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass von einem Rechner ein Oberflächenprofil der messtechnisch erfassten Topographie erzeugt wird. Außerdem wird von dem Rechner für zulässige Höhendifferenzen zwischen dem Oberflächenprofil der betreffenden Werkstücklage und der Solloberfläche oder für die zulässige Höhendifferenz zwischen dem höchsten Areal und dem tiefsten Areal des gemessenen Oberflächenprofils der betreffenden Werkstücklage ein Toleranzbereich berücksichtigt. In dem Fall, dass eine für das Oberflächenprofil ermittelte Höhendifferenz außerhalb des Toleranzbereiches liegt, veranlasst der Rechner die Steuereinrichtung, dass eine zusätzliche Pulverlage auf das Pulverbett aufgetragen wird und in den tieferen Bereichen der betreffenden Werkstücklage eine lokale Zwischenlage verfestigt wird, mit der die vorliegenden Höhendifferenzen verringert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren adressiert mit anderen Worten das Problem, das bei pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren die Herstellung des Bauteils einem Ablaufplan folgt, bei dem der schichtweise Auftrag und das Verfestigen von Pulverschichten genau vorgegeben ist. Auch die Höhe der zu erzeugenden Pulverschichten ist damit weitgehend vorgegeben, so dass, anders als bei dem Verfahren eines direkten Materialauftrags (Direct Metal Deposition), nicht effektiv in den Prozess der Materialdosierung eingegriffen werden kann. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Ablaufplan für die Herstellung des Bauteils mit einem hilfsweisen Ablaufplan zu ergänzen, mit dem eine zusätzliche Pulverlage auf das Pulverbett aufgetragen werden kann. Diese wird dann gezielt in den tieferen Bereichen der betreffenden Werkstücklage verfestigt, so dass eine lokale Zwischenlage entsteht. Insgesamt führt diese Zwischenlage damit zu einer Verringerung der Höhendifferenzen, indem die Oberfläche der Zwischenlage näher an den höheren Arealen der vorher gemäß dem Ablaufplan hergestellten Werkstücklage liegt.
Zu diesem Zweck wird die Oberfläche der hergestellten Werkstücklagen messtechnisch erfasst. Hieraus lässt sich in an sich bekannter Weise ein Oberflächenprofil berechnen, welches somit ein digitales Abbild der messtechnisch erfassten Topographie darstellt. Dieses kann in dem verwendeten Rechner mit einer Solloberfläche verglichen werden, wobei sich diese aus den Fertigungsdaten direkt ableiten lässt. Zur Herstellung des Werkstücks wird dieses nämlich in die zu erzeugenden Werkstücklagen geteilt (sog. Slicen), um auf dieser Grundlage den Ablaufplan für die Maschine zum additiven Herstellen zu erzeugen. Der Ablaufplan enthält neben den Informationen zu den herzustellenden Werkstücklagen auch die Herstellungsparameter für die Maschine (bestehend aus einer Belichtungsstrategie, die unter anderem die Höhe der zu erzeugenden Werkstücklagen und deren Querschnitt berücksichtigt).
Das erfindungsgemäße Verfahren macht es möglich, Bauteile nach der oben beschriebenen Kern-Hülle-Strategie herzustellen. Hiermit ist vorteilhaft ein Anstieg der Produktivität verbunden, bei der der Produktionsdurchsatz der betreffenden Maschine gesteigert werden kann. Das Risiko, dass durch die Produktivitätssteigerung auch der Ausschuss wegen Qualitätsproblemen vergrößert wird, kann dabei minimiert werden, indem zu große Höhenunterschiede im Oberflächenprofil der hergestellten Werkstücklagen durch den oben beschriebenen Zwischenschritt der Erzeugung einer lokalen Zwischenlage ausgeglichen wird. Der hiermit verbundene Zeitaufwand fällt bedeutend geringer aus, als der Produktivitätsgewinn bei Anwendung der Kern-Hülle-Strategie. Zudem fällt der Zwischenschritt nur bei Auftreten von Qualitätsproblemen an und nicht, wenn ein Werkstück reibungslos hergestellt werden kann.
Für die noch zulässigen Höhenunterschiede wird ein Toleranzbereich festgelegt. Die Festlegung erfolgt unter Berücksichtigung der geforderten Qualitätsstandards. Einerseits wird der Toleranzbereich dadurch vorgegeben, dass Überhöhungen einer herstellten Werkstücklage auf jeden Fall innerhalb der nachfolgend aufzubringenden Pulverlage liegen müssen, damit die Dosiervorrichtung nicht mit diesen Überhöhungen kollidiert. Andererseits können Qualitätsanforderungen an die Homogenität des in dem Werkstück herzustellenden Gefüges auch die Definition eines anderen Toleranzbereiches erfordern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Toleranzbereich für einen Wert kleiner oder gleich der Dicke der betreffenden Werkstücklage, bevorzugt einen Wert, der das 0,5-fache bis 0,9-fache der Dicke der betreffenden Werkstücklage beträgt, festgelegt wird. Wird der Toleranzbereich in dieser Weise festgelegt, besteht vorteilhaft ein zuverlässiger Sicherheitsabstand von eventuellen Überhöhungen, damit diese das Aufbringen nachfolgender Pulverlagen nicht stören.
Um eine nachfolgende Pulverlage aufzubringen, wird die Bauplattform, auf der das Werkstück im Pulverbett hergestellt wird, üblicherweise um die Dicke der hergestellten Werkstücklage abgesenkt. Anschließend wird die Pulverlage aufgebracht, deren Dicke größer ist, als die der herzustellenden Werkstücklage. Der Grund liegt darin, dass die Verfestigung des Pulvermaterials zu einer Verdichtung desselben führt, da die hergestellte Werkstücklage im Vergleich zur Pulverlage keine oder zumindest eine geringere Porosität aufweist.
Der vorteilhaft vorgeschlagen Toleranzbereich stellt andererseits auch sicher, dass die herzustellende Zwischenlage wenigstens halb so dick ist wie die normalerweise herzustellenden Werkstücklagen, damit die hierfür notwendige Pulverlage zuverlässig aufgebracht werden kann. Zu berücksichtigen ist auch, dass eine korrigierende Zwischenlage umso seltener aufgebracht werden muss, je weiter der Toleranzbereich definiert wird. Dies wirkt sich direkt auf die Produktivität des erfindungsgemäßen Verfahrens aus. Gleichzeitig ist die geforderte Qualität des zu erzeugenden Bauteils zu berücksichtigen.
Für die Bestimmung der Höhendifferenzen können erfindungsgemäß zwei Alternativen gewählt werden. Einerseits kann die Höhendifferenz zwischen dem Oberflächenprofil der betreffenden Werkstücklage und der Solloberfläche bestimmt werden. Die Solloberfläche ergibt sich aus den geometrischen Daten, die zur Steuerung des Prozesses an die Maschine zum additiven Herstellen, gegeben werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein CLI-File handeln (CLI steht für Common Layer Interface), in dem die Daten jeder herzustellenden Werkstücklage definiert sind. Das Oberflächenprofil wird aus den aufgenommenen Messwerten ermittelt, so dass sich aus einem Vergleich zwischen Oberflächenprofil und Solloberfläche lokal die Höhendifferenzen ermitteln lassen. Hierbei kann beispielsweise ein bestimmtes Raster an Messpunkten zum Einsatz kommen. Dieses Raster ist durch die Auflösung des angewendeten Messverfahrens begrenzt, muss allerdings die mögliche Auflösung des Messverfahrens nicht vollständig ausnutzen. Zu bemerken ist, dass die Höhendifferenzen sich durch Abweichungen nach oben (Bildung von Überhöhungen) und nach unten (Bildung von Senken) ergeben können. Für Überhöhungen und Senken können unterschiedliche Toleranzbereiche vorgegeben werden. Es ist aber auch möglich, einen Toleranzbereich zu bestimmen, der entweder gesondert auf Höhendifferenzen nach oben und Höhendifferenzen nach unten oder auf die Summe der Beträge der Höhendifferenzen angewendet wird.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Höhendifferenz zwischen dem höchsten Areal und dem tiefsten Areal des gemessenen Oberflächenprofils zu bestimmen. Die Areale werden durch Gebiete gebildet, in denen die aufgenommenen Messwerte im Wesentlichen auf dem gleichen Höhenniveau liegen. Die so ermittelte Höhendifferenz ist somit ein Maß für die Ebenheit der hergestellten Werkstücklage, welche durch Herstellen einer Zwischenschicht anschließend ausgeglichen werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wiederholt
die Topographie der lokalen Zwischenlage nach dem Verfestigen durch den Energiestrahl messtechnisch erfasst wird,
von dem Rechner ein Oberflächenprofil der messtechnisch erfassten Topographie erzeugt wird,
von dem Rechner für zulässige Höhendifferenzen zwischen dem Oberflächenprofil der betreffenden Werkstücklage und der Solloberfläche oder für die zulässige Höhendifferenz zwischen dem höchsten Areal und dem tiefsten Areal des gemessenen Oberflächenprofils der betreffenden Werkstücklage ein Toleranzbereich berücksichtigt wird,
in dem Fall, dass eine für das Oberflächenprofil ermittelte Höhendifferenz immer noch außerhalb des Toleranzbereiches liegt, der Rechner die Steuereinrichtung veranlasst, dass eine weitere Pulverlage auf das Pulverbett aufgetragen wird und in den tieferen Bereichen der betreffenden Werkstücklage eine lokale Zwischenlage verfestigt wird, mit der die vorliegenden Höhendifferenzen verringert werden,
bis die für das Oberflächenprofil ermittelte Höhendifferenz innerhalb des Toleranzbereiches liegt.
Durch wiederholtes Ausführen der Herstellung von Zwischenlagen kann vorteilhaft eine mehrstufige Vergleichmäßigung des Oberflächenprofils ausgeführt werden. Es ist damit möglich, Höhendifferenzen auszugleichen, die sich mit einem einstufigen Prozess nicht in genügender Weise ausgleichen lassen würden. Dabei kann vorteilhaft zunächst eine dickere Zwischenlage hergestellt werden, die nur in Arealen auf der Werkstücklage hergestellt wird, die im Rahmen der zulässigen Toleranz vergleichsweise tief liegen. In dem nachfolgenden Schritt oder den nachfolgenden Schritten werden dann Zwischenlagen hergestellt, die eine geringere Dicke aufweisen und daher in Arealen aufgetragen werden können, in denen eine geringere Höhendifferenz vorliegt. Die verschiedenen Zwischenschichten liegen bei dieser Verfahrensvariante nebeneinander.
Alternativ kann das Verfahren auch so durchgeführt werden, dass mehrere Zwischenlagen gleicher Dicke hergestellt werden, wobei in tiefen Bereichen mehr Zwischenlagen übereinander hergestellt werden und in dünnen Bereichen weniger Zwischenlagen. Hierdurch wird vorteilhaft im Ergebnis eine höhere Genauigkeit beim Ausfüllen der tiefen Areale des Oberflächenprofils erzielt, so dass der Effekt einer Vergleichmäßigung der Oberfläche besser erzielt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Topographie der lokalen Zwischenlage nach dem Verfestigen durch den Energiestrahl messtechnisch erfasst wird. Von dem Rechner wird dann ein Oberflächenprofil der messtechnisch erfassten Topographie erzeugt. Der Rechner vergleicht das Oberflächenprofil mit der Solloberfläche der nächsten herzustellenden Werkstücklage und bestimmt einen Betrag, um welchen eine nachfolgende Werkstücklage dünner hergestellt werden muss, oder ermittelt, dass die nachfolgende Werkstücklage weggelassen wird, damit der zusätzliche Materialauftrag in der Zwischenschicht ausgeglichen wird. Der Rechner erzeugt einen korrigierten Ablaufplan und gibt diesen an die Steuereinrichtung aus.
Mit dem korrigierten Ablaufplan wird vorteilhaft erreicht, dass der zusätzliche Materialauftrag der Zwischenschicht im weiteren Verfahrensablauf der Herstellung des Werkstoffs Berücksichtigung findet. Da dieser im ursprünglichen Ablaufplan nicht vorgesehen war, kann dies nur durch eine Korrektur dieses Ablaufplans erfolgen. Ob eine nachfolgende Werkstücklage dünner hergestellt werden muss oder sogar eine ganze Werkstücklage weggelassen werden muss, hängt davon ab, wie viel zusätzliches Material in der Zwischenschicht aufgetragen wurde. Nach der Aufbringung einer korrigierten und/oder nach dem Weglassen einer Werkstücklage ist sowohl das Oberflächenprofil der korrigierten Werkstücklage als auch die Ist-Geometrie des bisher hergestellten Werkstückes wieder so weit an die Sollgeometrie eines Zustandes des ursprünglichen Ablaufplans angepasst, das in der Folge der ursprüngliche Ablaufplan zur weiteren Herstellung des Werkstücks verwendet werden kann. Alternativ kann der korrigierte Ablaufplan auch um die noch herzustellenden Lagen des ursprünglichen Ablaufplans ergänzt werden und für den weiteren Verfahrensablauf verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das additive Herstellen der Werkstücklagen lokal mit Energiestrahlen unterschiedlichen Fokusdurchmessers und/oder unterschiedlicher Leistung durchgeführt wird. Durch Variation von Fokusdurchmesser und Leistung des Energiestrahls können Teilbereiche der herzustellenden Werkstücklage vorteilhaft jeweils unter optimalen Bedingungen hergestellt werden und gleichzeitig immer ein möglichst großer Produktionsdurchsatz erreicht werden. Insbesondere können auch Leistung und Fokusdurchmesser für die Herstellung der Zwischenlage ausgewählt werden, welche vorzugsweise dünner ist, als die normalen Werkstücklagen und deswegen mit einem geringeren Energieeintrag hergestellt werden kann. Um unterschiedliche Fokusdurchmesser und/oder unterschiedliche Leistungen des Energiestrahls zu gewährleisten, können sowohl mehrere Strahlungsquellen zum Einsatz kommen als auch eine oder mehrere Strahlungsquellen, deren Fokusdurchmesser und/oder Leistung verstellt werden können.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zum Herstellen eines die Kontur der Werkstücklagen enthaltenden Randbereiches der Werkstücklagen ein Energiestrahl mit einer ersten Strahlcharakteristik und zum Herstellen eines vom Randbereich eingeschlossenen Innenbereiches der Werkstücklagen ein Energiestrahl mit einer zweiten Strahlcharakteristik eingesetzt wird, wobei die erste Strahlcharakterisik im Vergleich zur zweiten Strahlcharakteristik eine geringere Leistung und einen kleineren Strahldurchmesser aufweist. Insbesondere können die Energiestrahlen unterschiedlicher Strahlcharakteristik durch zwei Strahlquellen erzeugt werden.
Bei der letztgenannten Verfahrensvariante handelt es sich um die Verwirklichung der oben bereits erläuterten Kern-Hülle-Strategie. Bei dieser werden die genannten Innenbereiche schneller erzeugt, indem dort eine höhere Leistung des Energiestrahls in das Pulverbett eingebracht wird, während am Rand mit einem geringeren Energieeintrag eine höhere Herstellungsgenauigkeit erreicht wird. Dabei besteht allerdings die Gefahr, dass insbesondere die Innenbereiche mit einem unregelmäßigeren Oberflächenprofil hergestellt werden, wobei das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft angewendet werden kann. Die Zwischenschicht kann insbesondere auf die Randbereiche aufgetragen werden, um die im inneren Bereich entstehenden Überhöhungen auszugleichen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das messtechnische Erfassen des Oberflächenprofils mit der Messeinrichtung durch eine optische Triangulationssensorik oder durch eine kamerabasierte Streifenprojektionstechnik oder durch eine induktive Näherungssensorik durchgeführt wird. Hierbei handelt es sich vorteilhaft um etablierte Messverfahren, die eine genügende Messgenauigkeit gewährleisten und zuverlässig in der Durchführung sind.
Optische Verfahren der Triangulation nutzen eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Messstrahls, der unter einem Winkel das Objekt beleuchtet, dessen Oberfläche vermessen werden soll. Ein elektronischer Bildwandler registriert das Reflexionslicht. Bei Kenntnis der Strahlrichtung und des Abstandes zwischen Kamera und Lichtquelle kann damit der Abstand vom Objekt zur Kamera bestimmt werden. Die Verbindung Kamera-Lichtquelle sowie die beiden Strahlen von und zum Objekt bilden hierbei ein Dreieck (Lichtquelle, Reflexionspunkt auf dem Objekt und Auftreffpunkt des Reflextionsstrahls auf einem positionsaufgelösten Sensor der Kamera), daher die Bezeichnung Triangulation. Wird das Verfahren rasterartig oder kontinuierlich bewegt durchgeführt, kann das Oberflächenrelief mit großer Genauigkeit, bei handelsüblichen Sensoren bis zu 0,01 Millimeter, bestimmt werden. Projiziert man ein Muster, etwa eine Linie oder ein Streifenmuster, kann die Distanzinformation zu allen Punkten des Musters mit einem einzigen Kamerabild berechnet werden. Bei einer Linie spricht man auch von Lichtschnitt, Streifenmuster kommen in der Streifenprojektionstechnik zum Einsatz.
Bei der induktiven Näherungsensorik kommen hauptsächlich drei Funktionseinheiten zum Einsatz: ein Oszillator, eine Auswerteeinheit und eine Ausgangsstufe. Sobald an den induktiven Näherungssensor eine Speisespannung angelegt wird, beginnt der Oszillator zu schwingen. Das dabei entstehende elektromagnetische Feld wird mittels eines Ferritkerns, in welchem sich die Spule des Schwingkreises des Oszillators befindet, zu einem zu vermessenden, elektrisch leitfähigen Objekt ausgerichtet. Ein sich annäherndes Objekt entzieht dem Schwingkreis Energie, worauf die Oszillatorspannung kleiner wird. Dies ist ein Maß für den gemessenen Abstand.
Außerdem wird die eingangs angegebene Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Computerprogrammprodukt zum Ergänzen eines Ablaufplans für die Herstellung eines Werkstücks in Werkstücklagen mit einem pulverbettbasierten additiven Herstellungsverfahren. Der Ablaufplan wird durch einen hilfsweisen Ablaufplan ergänzt, wobei hierbei folgende Progammmodule zum Einsatz kommen.
Ein erstes Programmmodul ist vorgesehen, wobei das erste Programmmodul eine erste Datenschnittstelle zur Eingabe einer durch den Ablaufplan bestimmten Sollgeometrie des Werkstücks und eines gemessenen Oberflächenprofils der obersten Werkstücklage aufweist. Mit dem ersten Programmmodul ist das Oberflächenprofil mit einer aus der Sollgeometrie des Werkstücks ermittelten Solloberfläche der betreffenden Werkstücklage vergleichbar, und Höhendifferenzen zwischen dem Oberflächenprofil und der Solloberfläche oder die Höhendifferenz zwischen dem höchsten Areal und dem tiefsten Areal des gemessenen Oberflächenprofils der betreffenden Werkstücklage ist berechenbar.
Ein zweites Programmodul ist vorgesehen, mit dem ein hilfsweiser Ablaufplan für eine auf dem Werksstück herzustellende und die Höhendifferenzen verringernde Zwischenlage erzeugbar ist. Das zweite Programmmodul weist eine zweite Schnittstelle zur Ausgabe des hilfsweisen Ablaufplanes auf.
Ein drittes Programmmodul ist vorgesehen, wobei das dritte Programmmodul eine dritte Datenschnittstelle zur Eingabe eines zulässige Höhendifferenzen umfassenden Toleranzbereiches aufweist. Außerdem ist vorgesehen, dass mit dem dritten Programmmodul abfragbar ist, ob die im ersten Programmmodul berechnete Höhendifferenz den Toleranzbereich überschreitet und im Falle eines Überschreitens des Toleranzbereiches das zweite Programmmodul aktivierbar ist, so dass mit diesem nach Aktivierung der hilfsweise Ablaufplan berechenbar ist.
Das Computerprogrammprodukt ist vorteilhaft dazu geeignet, in dem oben angegebenen Verfahren Verwendung zu finden. Es besteht aus mehreren Programmmodulen, die unterschiedliche Aufgaben übernehmen. Das erste Programmmodul ermöglicht die Bewertung des ermittelten Oberflächenprofils, indem dieses mit der Sollgeometrie des bisher hergestellten Werkstücks verglichen wird. Mit dem zweiten Programmmodul kann der hilfsweise Ablaufplan erzeugt werden, der an die Maschine zurückgegeben wird, damit eine die Toleranzen ausgleichende Zwischenlage erzeugt wird. Das dritte Programmmodul ist zur Steuerung des ersten und des zweiten Programmmoduls vorgesehen, wobei als Vorgabe der zulässige Toleranzbereich berücksichtigt wird. Hierzu ist eine Abfrage notwendig, ob die ermittelten Toleranzen im zulässigen Toleranzbereich liegen oder nicht.
Das Computerprogrammprodukt kann aus einem Programm oder auch mehreren Programmen bestehen, zwischen denen Daten und Steuerbefehle ausgetauscht werden. Dementsprechend können die Programmmodule als einzelne Programme ausgeführt sein oder gemeinsam zu mehreren in einem Programm zusammengefasst sein, wobei zusätzliche Schnittstelle zum Austausch von Daten zwischen den einzelnen Programmmodulen vorgesehen werden können. Außerdem können weitere Funktionalitäten in weiteren Programmmodulen in das Computerprogrammprodukt integriert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein viertes Programmmodul mit einer vierten Datenschnittstelle zur Eingabe von Messwerten der Topographie der obersten Werkstücklage vorgesehen ist, wobei mit dem vierten Programmmodul ein Oberflächenprofil der betreffenden Werkstücklage erzeugbar ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Funktionalität der Berechnung des Oberflächenprofils in das Computerprogrammprodukt integriert. Über die vierte Datenschnittstelle werden insofern die Messwerte der Topographie zur weiteren Verarbeitung im vierten Programmmodul eingespeist. Dabei können die Daten in der Messeinrichtung bereits modifiziert werden, um z.B. ein bestimmtes Datenformat zur Verfügung zu stellen. Alternativ kann auch die Berechnung des Oberflächenprofils bereits in der Messeinrichtung oder einer nachgelagerten Recheneinheit erfolgen, so dass die Daten für das Oberflächenprofil direkt über die erste Datenschnittstelle dem ersten Programmmodul zur Verfügung gestellt werden. Das vierte Programmmodul kommuniziert über die erste Schnittstelle mit dem ersten Programmmodul.
Die Erzeugung eines korrigierten Ablaufplans, der auch den Materialauftrag einer zusätzlichen Zwischenlage berücksichtigt, kann durch ein fünftes Programmmodul in dem Computerprogrammprodukt erzeugt werden. Hierbei können die im ersten Programmmodul erzeugten Daten berücksichtigt werden, die aufgrund einer nach der Herstellung der Zwischenschicht erfolgten weiteren Messung unter Erzeugung des aktuellen Oberflächenprofils zu einer Verringerung der Schichtdicke nachfolgender Werkstücklagen bzw. zu einem Auslassen nachfolgender Werkstücklagen führen soll. Der korrigierte Ablaufplan kann dann der Maschine zum additiven Fertigen zur Verfügung gestellt werden.
Weiter wird die oben genannte Aufgabe auch durch einen computerlesbaren Datenträger gelöst, auf dem ein Computerprogrammprodukt der oben erläuterten Art gespeichert ist. Zuletzt wird die oben genannte Aufgabe auch durch eine Maschine zum additiven Herstellen eines Werkstücks gelöst, wobei mit der Maschine das Werkstück in Werkstücklagen in einem Pulverbett herstellbar ist, wobei die Maschine eine Messeinrichtung aufweist, mit der eine Topographie der Werkstücklagen messtechnisch erfassbar ist, und wobei die Maschine einen Rechner aufweist, auf dem ein Computerprogrammprodukt der oben beschriebenen Art installiert ist. Der computerlesbare Datenträger und die Maschine sind daher geeignet, das oben beschriebene Verfahren durch Ausführen des oben beschriebenen Computerprogramms auszuführen. Die damit verbundenen Vorteile sind oben aufgeführt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage zum additiven Fertigen, schematisch geschnitten,
2 u. 3 zwei ausgewählte Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, schematisch geschnitten,
4 den Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens als Ablaufdiagramm und
5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts als Blockschaltbild.

In 1 ist eine Anlage zum additiven Herstellen eines Werkstücks 11 dargestellt, mit der ein selektives Laserschmelzen oder selektives Lasersintern durchgeführt werden kann. Diese Anlage weist eine Prozesskammer 12 auf, in der ein Pulverbett 13 erzeugt werden kann. Zu diesem Zweck kann eine Dosiervorrichtung 14 Pulver aus einem Pulvervorrat 15 auf dem Pulverbett 13 verteilen. Zum Dosieren wird ein Kolben 16 in dem Pulvervorrat 15 schrittweise nach oben bewegt. Demgegenüber wird eine Bauplattform 17, auf der ein Werkstück 18 in dem Pulverbett 13 entsteht, abgesenkt, um Lage für Lage (nicht dargestellt) des Werkstücks 11 erzeugen zu können.
Die Erzeugung des Werkstücks 11 erfolgt durch einen ersten Energiestrahl E₁ und einen zweiten Energiestrahl E₂. Der Energiestrahl E₁ wird durch eine Strahlquelle 19 und der Energiestrahl E₂ durch eine weitere Strahlquelle 20 erzeugt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 handelt es sich um Lasergeneratoren. Die Energiestrahlen E₁, E₂ werden über Umlenkspiegel 21 durch ein Fenster 22 in die Prozesskammer 12 geleitet, wobei der Energiestrahl E₁ die Randbereiche der herzustellenden Werkstücklage und der Energiestrahl E₂ den Innenbereich der herzustellenden Werkstücklage erzeugt (vgl. auch 3).
Ist die Herstellung einer Werkstücklage abgeschlossen, kann eine Messeinrichtung M über das Pulverbett 13 sowie die hergestellte Werkstücklage bewegt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine optische Erfassungseinrichtung oder eine induktive Näherungssensorik handeln. Mit der Messeinrichtung M lässt sich somit die Topographie der hergestellten Werkstücklage messtechnisch erfassen.
Die Maschine zum additiven Fertigen weist eine Steuereinrichtung CRL auf, mit deren Hilfe der Fertigungsprozess gesteuert wird. Gleichzeitig werden von der Maschine fertigungsrelevante Daten an die Steuerungseinrichtung CRL gesendet. Außerdem ist ein Computer C vorgesehen, welcher die Messeinrichtung M ansteuert. Dieser Computer C verarbeitet auch Messwerte, welche die Messeinrichtung M erzeugt. In dem Computer C ist das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt installiert. Die Messwerte werden dazu verwendet, um ein Oberflächenprofil der gerade hergestellten Werkstücklage zu berechnen.
Der Computer C gibt einen Ablaufplan A an die Steuerungseinheit CRL weiter mit dessen Hilfe das Werkstück 11 hergestellt werden kann. Müssen zur Korrektur des Oberflächenprofils eine oder mehrere Zusatzlagen erzeugt werden, so erstellt der Computer C für diese Zusatzlage einen hilfsweisen Ablaufplan A_h, der mittels der Steuereinrichtung CRL in Befehle für die Maschine zur additiven Fertigung umgesetzt werden kann. Außerdem kann aufgrund eines nach Aufbringen einer Zwischenlage erstellten Oberflächenprofils durch den Computer C, ein korrigierter Ablaufplan A_k erzeugt werden, bei dessen Abarbeiten das zusätzlich als Zwischenlage aufgebrachte und ursprünglich nicht eingeplante Material berücksichtigt wird. Dieser korrigierte Ablaufplan A_k ersetzt den ursprünglichen Ablaufplan A zumindest, bis mit dem ursprünglichen Ablaufplan A das restliche Bauteil in der ursprünglich geplanten Weise weiter hergestellt werden kann.
Den 2 und 3 ist zu entnehmen, wie ein Werkstück 11 durch eine Kern-Hülle-Belichtungsstrategie hergestellt werden kann. Der 3 ist exemplarisch zu entnehmen, dass der Energiestrahl E₁ im Randbereich der herzustellenden Lagen, am eine Kontur 23 bildenden Rand des Werkstücks 11, zum Einsatz kommt, während der Energiestrahl E₂ zur Herstellung des Innenbereiches des entsprechenden Querschnitts verwendet wird. Der Energiestrahl E₁ kann typischerweise durch einen Laser mit einer Leistung von 300 W und einem Fokusdurchmesser von 80 µm gebildet werden. Der Energiestrahl E₂ kann durch einen Laser gebildet werden, der mindestens 1000 W leistet und einen Fokusdurchmesser von 500 µm aufweist. Die Abbildungen in 2 und 3 sind maßstabgerecht dargestellt, wobei das Längenmaß von 100 µm jeweils eingezeichnet ist.
Wie 2 zu entnehmen ist, würde mit der Kern-Hülle-Strategie eine die Oberfläche des Bauteils 11 bildende Lage mit der nominellen Dicke s (im folgenden werden die Lagen auch kurz mit s bezeichnet) hergestellt, in deren Oberflächenprofil Höhenunterschiede auftreten, obwohl eine theoretische Solloberfläche gemäß dem Ablaufplan für das additive Herstellen (CLI-File) eben ausgebildet sein müsste. Diese Höhenunterschiede können messtechnisch erfasst werden. Beispielsweise kann als maximal auftretender Höhenunterschied h₁ der Höhenunterschied zwischen dem höchsten Areal a₁ und dem tiefsten Areal a₂ gemessen werden. Das Areal a₁ entsteht im Bereich der Belichtung mit dem Energiestahl E₂ während das Areal a₂ im konturnahen Bereich entsteht, wo der Energiestrahl E₁ zum Einsatz kommt.
Eine andere Möglichkeit der Messung der Höhenunterschiede liegt darin, dass eine Abweichung h₂ von einer Solloberfläche 24 gemessen wird. Diese Solloberfläche 24 ergibt sich, wie beriet erwähnt, durch die theoretische ebene Oberfläche des Werkstücks bei Herstellung der betreffenden Lage s.
Weiterhin ist ein Toleranzbereich t definiert worden, innerhalb dessen die Höhenunterschiede h₁ oder h₂ liegen müssen, damit dies noch akzeptabel ist. Der Toleranzbereich t liegt in 2 bei der Hälfte der Höhe einer Werkstücklage s. Wie 2 zu entnehmen ist, liegen h₂ und h₁ außerhalb des Toleranzbereiches t, weswegen der zusätzliche Fertigungsschritt gemäß 3 eingeleitet wird, bei dem eine Zwischenlage mit der Dicke z (im Folgenden kurz als Zwischenlage z bezeichnet) im Areal a₂ mit dem Energiestrahl E₁ hergestellt wird. Der Energiestrahl E₂ ist zwar zur Veranschaulichung seiner Dimension in 3 ebenfalls eingezeichnet, wird während dieses Verfahrensschrittes jedoch nicht benutzt, da das Areal a₁ sich bereits auf einem erhöhten Niveau befindet. Nach Herstellung der Zwischenlage z ist erkennbar, dass die Höhenunterschiede h_c nach Korrektur mit der Zwischenschicht z kleiner geworden ist, als die Höhenunterschiede h₁, h₂ gemäß 2.
Dadurch, dass zum Ausgleich der Höhenunterschiede die Zwischenlage z aufgebracht wurde, liegt das Niveau des gesamten bisher dargestellten Werkstücks 11 nun um die Höhe z höher, als nach dem Bauschritt gemäß 2 eigentlich vorgesehen. In einem nachfolgenden Bauschritt ist daher für die danach herzustellende Werkstücklage s nur noch der Differenzbetrag c auf die Zwischenlage z aufzubringen. Hierzu wird ein korrigierter Ablaufplan erstellt, mit dem eine korrigierte Lage mit der Dicke c (im Folgenden kurz als korrigierte Lage c bezeichent) statt der eigentlich geplanten Lage s auf das Werkstück 11 aufgebracht wird. Anschließend kann mit dem ursprünglichen Ablaufplan der Rest des Werkstücks 11 hergestellt werden.
Die 2 und 3 zeigen stark vereinfacht die Strukturen des Querschnitts durch das Werkstück 11, wie sich diese nach einem Schliff und chemischer Ätzung der Schlifffläche darstellen. Zu erkennen sind die Schmelzspuren der einzelnen Lagen s, deren Umrandung u in den 2 und 3 dargestellt sind. Zu erkennen ist, dass die Welligkeit der Oberfläche im Areal a₁, wo der breite Energiestrahl E₂ verwendet wurde, stärker ausfällt, als im Areal a₂, wo der Energiestrahl E₁ verwendet wird. Hieraus resultieren die Höhenunterschiede h₁, h₂.
In 4 ist der Verfahrensablauf in einem Ablaufdiagramm dargestellt. Ausgangspunkt für das erfindungsgemäße Verfahren ist eine Beschreibung des Werkstücks als STL-File, gekennzeichnet in 4 als STL (STL steht für Standard Tessellation Language). Das STL-File enthält die dreidimensionalen Daten für eine Aufbereitung zwecks Herstellung durch ein additives Fertigungsverfahren. Aus dem STL-File wird ein CLI-File, dargestellt in 4 als CLI, erzeugt, welches eine zum additiven Herstellen geeignete Aufbereitung der Geometrie in Scheiben enthält. Die Transformation der Daten wird als Slicen bezeichnet. Außerdem benötigt die Maschine weitere Vorgaben zum Herstellen, z.B. die Höhe der herzustellenden Lagen, die Ausrichtung der Schreibvektoren, also Richtung und Länge des Weges, welches der Energiestrahl auf der Oberfläche des Pulverbettes beschreibt, und die Aufteilung der zu erzeugenden Werkstücklage in Sektoren, in denen bestimmte Verfahrensparameter gelten. Außerdem sind Fokusdurchmesser und Leistung des verwendeten Energiestrahls festzulegen. Diese Daten werden in 4 unter MAN zusammengefasst. Das CLI-File CLI und die Herstellungsdaten MAN ergeben zusammen den Ablaufplan A oder den korrigierten Ablaufplan A_k.
Der Ablaufplan wird in die Steuereinrichtung CRL eingespeist, welche die Fertigungsmaschine ansteuert. Die Steuereinrichtung CRL veranlasst die Maschine zur Herstellung eines ersten Layers LY in an sich bekannter Weise. Die im Schritt LY erzeugte Werkstücklage wird in einem anschließenden Messschritt ML beispielsweise optisch untersucht, wobei aus den Messwerten in einem nächsten Schritt die Topographie TP der erzeugten Werkstücklage berechnet werden kann. Anschließend erfolgt eine Abfrage, ob die ermittelten Differenzen DIF zwischen den im Schritt TP ermittelten Topographie der Oberfläche im Vergleich zu den aus dem CLI-File hervorgehenden Solldaten eine definierte Toleranz t unterschreiten. Ist dies der Fall, kann in einem weiteren Schritt CRL die Steuerung einen weiteren Schritt LY zur Herstellung der nächsten Werkstücklage einleiten, wodurch der Prozess des schichtweisen Aufbaus des Werkstücks vorangetrieben wird.
Ist die Differenz DIF jedoch größer als die zulässige Toleranz t, wird in einem nächsten Schritt eine hilfsweiser Ablaufplan A_h berechnet, wobei hierbei die Daten des CLI-Files berücksichtigt werden. Dieser hilfsweise Ablaufplan A_h wird an die Steuerung CRL weitergegeben und damit die Herstellung der Zwischenlage in einem Schritt LY eingeleitet. Dieses Ergebnis wird ein einem Schritt ML vermessen und erneut in einem Schritt TP ein Oberflächenprofil der Topographie erstellt.
Nun wird erneut geprüft, ob die ermittelten Höhendifferenzen DIF kleiner als die zulässige Toleranz t sind. Ist dies nicht der Fall, so muss ein weiterer hilfsweiser Ablaufplan A_h erstellt werden, um in den Schritten CRL, LY, ML und TP eine weitere Zwischenlage zu erzeugen. Sobald die ermittelten Differenzen DIF kleiner als die zulässige Toleranz t ausfallen, wird unter Berücksichtigung des CLI-Files eine korrigierter Ablaufplan aus A_k erstellt, der den zusätzlichen Materialauftrag der einen Zwischenschicht oder mehrerer Zwischensichten berücksichtigt und mittels dem die nachfolgenden Lagen LY hergestellt werden, indem der ursprüngliche Bauprozess wie oben beschrieben wieder aufgenommen wird.
In 5 ist ein Computerprogrammprodukt 25 in seiner Umgebung dargestellt. Die Maschine 26 zum additiven Fertigen ist vorstehend zu 1 schon beschrieben worden. Es kann sich beispielsweise um eine Anlage zum selektiven Laserschmelzen mit der Prozesskammer 12 handeln. Diese ist, wie bereits ausgeführt, mit der Messeinrichtung M und der Steuereinrichtung CRL ausgestattet.
Um ein Werkstück herzustellen, wird mittels eines CAD-Programms CAD ein STL-File STL zur Beschreibung der geometrischen Daten erzeugt. Mittels eines CAM-Programms CAM wird unter Beachtung der erforderlichen Prozessparameter der Maschine 26 ein Ablaufplan A erzeugt und an die Steuereinrichtung CRL weitergegeben. Diese steuert in der Maschine 26 den ablaufenden Prozess zur Herstellung des Werkstücks.
Nach Herstellung einer Bauteillage wird diese in der bereits oben genauer erläuterten Weise mittels der Messeinrichtung M vermessen. Die Messwerte werden über eine vierte Schnittstelle I4 an ein viertes Programmmodul P4 des Computerprogrammproduktes 25 übergeben, wobei dieses vierte Programmmodul P4 aus den Messwerten eine die Topographie der hergestellten Werkstücklage beschreibendes Oberflächenprofil als Datensatz berechnet und über eine erste Schnittstelle I1 an ein erstes Programmmodul P1 weitergibt. Das erste Programmmodul P1 bekommt außerdem über die erste Schnittstelle I1 die Daten CLI der Sollgeometrie der hergestellten Werkstücklage übermittelt, wobei im ersten Programmmodul P1 ortsaufgelöst die Höhenabweichungen h₁, h₂ (siehe 2) ermittelt werden.
Die Höhenabweichungen werden über eine sechste Schnittstelle 16 an ein drittes Programmmodul P3 weitergegeben. Dieses dritte Programmmodul P3 erhält über eine dritte Schnittstelle I3 Informationen über die maximal zulässigen Toleranzen t für die Höhenabweichungen zwischen Solloberfläche und dem gemessenen Oberflächenprofil der betreffenden Werkstücklage. Das Programmmodul P3 veranlasst nun für den Fall, dass die Höhenabweichungen innerhalb des zulässigen Toleranzbereichs t liegen, über eine Schnittstelle I7 die Steuereinrichtung CRL, die nächste durch den Ablaufplan A vorgesehene Werkstücklage zu erzeugen. Liegen die gemessenen Höhenabweichungen jedoch außerhalb des zulässigen Toleranzbereichs t, wird über eine Schnittstelle I8 ein zweites Programmmodul P2 aktiviert. Dort wird ein hilfsweiser Ablaufplan A_h erzeugt, der unter Berücksichtigung des tatsächlichen Oberflächenprofils, welches über eine neunte Schnittstelle I9 vom ersten Programmmodul P1 an das zweite Programmmodul P2 übergeben wird, den Materialauftrag einer Zwischenschicht definiert, die die Höhendifferenzen in dem gemessenen Oberflächenprofil insgesamt verringert. Dieser hilfsweise Ablaufplan A_h wird über eine zweite Schnittstelle I2 an die Steuereinrichtung CRL weitergegeben, welche die Herstellung der Zwischenschicht in der Maschine 26 veranlasst.
Nach Herstellung der Zwischenschicht wird diese mit der Messeinrichtung M, wie bereits beschrieben, vermessen und ein weiteres Oberflächenprofil mit dem vierten Programmmodul P4 ermittelt. Die nun vorliegenden Höhendifferenzen werden mit dem ersten Programmmodul P1 bestimmt und an das Programmmodul P3 weitergegeben. Solange die Toleranzen t überschritten werden, wird das zweite Programmmodul P2 erneut aktiviert.
Liegen die ermittelten Höhendifferenzen allerdings innerhalb der zulässigen Toleranzen t, so wird über eine zehnte Schnittstelle I10 ein fünftes Programmmodul P5 aktiviert. Dieses weist eine elfte Schnittstelle I11 zum ersten Programmmodul P1 und eine zwölfte Schnittstelle I12 zur Übertragung des CLI-Files vom CAM-Programm CAM auf. Mit Hilfe dieser Daten kann das fünfte Programmmodul P5 berechnen, in welcher Weise nachfolgend hergestellte Werkstücklagen korrigiert werden müssen, damit die Geometrie des hergestellten Werkstücks aufgrund des zusätzlichen Materialaufbaus der Zwischenlage korrigiert werden muss. Hieraus wird ein korrigierter Ablaufplan A_k erzeugt und über eine fünfte Schnittstelle I5 an die Steuereinrichtung CRL weitergegeben. Auf diese Weise wird im weiteren Fertigungsprozess die Korrektur berücksichtigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013214320 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Mazumder et al., „Closed loop direct metal deposition: art to part“; Optics and Lasers in Engineering 34 (2000), S. 397 - 414 [0003]

Claims

Verfahren zum additiven Herstellen eines Werkstücks (11), bei dem das Werkstück (11) in Werkstücklagen (s) in einem Pulverbett (13) hergestellt wird, wobei eine Steuereinrichtung (CRL) einem Ablaufplan (A) folgt, wobei bei dem Verfahren • für jede Werkstücklage (s) eine Pulverlage auf das Pulverbett (13) aufgetragen wird, • die betreffende Werkstücklage (s) durch selektives Verfestigen der Pulverlage durch einen Energiestrahl (E₁, E₂) erzeugt wird und • eine Topographie der betreffenden Werkstücklage (s) nach dem Verfestigen durch den Energiestrahl (E1, E2) mit einer Messeinrichtung (M) messtechnisch erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass • von einem Rechner (C) ein Oberflächenprofil der messtechnisch erfassten Topographie erzeugt wird, • von dem Rechner (C) für Höhendifferenzen (h₁) zwischen dem Oberflächenprofil der betreffenden Werkstücklage (s) und der Solloberfläche (24) oder für eine Höhendifferenz (h₂) zwischen dem höchsten Areal (a₁) und dem tiefsten Areal (a₂) des gemessenen Oberflächenprofils der betreffenden Werkstücklage (s) ein zulässiger Toleranzbereich (t) berücksichtigt wird, • in dem Fall, dass eine für das Oberflächenprofil ermittelte Höhendifferenz (h₁, h₂) außerhalb des Toleranzbereiches (t) liegt, der Rechner die Steuereinrichtung veranlasst, dass eine zusätzliche Pulverlage auf das Pulverbett (13) aufgetragen wird und in den tieferen Bereichen der betreffenden Werkstücklage (s) eine lokale Zwischenlage (z) verfestigt wird, mit der die vorliegenden Höhendifferenzen verringert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wiederholt • die Topographie der lokalen Zwischenlage (z) nach dem Verfestigen durch den Energiestrahl (E₁, E₂) messtechnisch erfasst wird, • von dem Rechner (C) ein Oberflächenprofil der messtechnisch erfassten Topographie erzeugt wird, • von dem Rechner (C) für zulässige Höhendifferenzen (h₁) zwischen dem Oberflächenprofil der betreffenden Werkstücklage (s) und der Solloberfläche (24) oder für eine zulässige Höhendifferenz (h₂) zwischen dem höchsten Areal (a₁) und dem tiefsten Areal (a₂) des gemessenen Oberflächenprofils der betreffenden Werkstücklage (s) ein Toleranzbereich (t) berücksichtigt wird, • in dem Fall, dass eine für das Oberflächenprofil ermittelte Höhendifferenz (h1, h2) immer noch außerhalb des Toleranzbereiches (t) liegt, der Rechner (C) die Steuereinrichtung (CRL) veranlasst, dass eine weitere Pulverlage auf das Pulverbett (13) aufgetragen wird und in den tieferen Bereichen der betreffenden Werkstücklage (s) eine lokale Zwischenlage (z) verfestigt wird, mit der die vorliegenden Höhendifferenzen verringert werden, bis die für das Oberflächenprofil ermittelte Höhendifferenz (h1, h2) innerhalb des Toleranzbereiches (t) liegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass • die Topographie der lokalen Zwischenlage (z) nach dem Verfestigen durch den Energiestrahl (E1, E2) messtechnisch erfasst wird, • von dem Rechner (C) ein Oberflächenprofil der messtechnisch erfassten Topographie erzeugt wird, • der Rechner (C) das Oberflächenprofil mit der Solloberfläche (24) der nächsten herzustellenden Werkstücklage (s) vergleicht und einen Betrag bestimmt, um welchen eine nachfolgende Werkstücklage (s) dünner hergestellt werden muss oder bestimmt, dass die nachfolgende Werkstücklage (s) weggelassen wird, damit der zusätzliche Materialauftrag in der Zwischenlage (z) ausgeglichen wird und • der Rechner (C) einen korrigierten Ablaufplan (A_k) erzeugt und diesen an die Steuereinrichtung (CRL) ausgibt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Herstellen der Werkstücklagen (s) lokal mit Energiestrahlen (E₁, E₂) unterschiedlichen Fokusdurchmessers und/oder unterschiedlicher Leistung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass • zum Herstellen eines die Kontur (23) der Werkstücklagen (s) enthaltenden Randbereiches der Werkstücklagen ein Energiestrahl (E1) mit einer ersten Strahlcharakteristik und • zum Herstellen eines vom Randbereich eingeschlossenen Innenbereiches der Werkstücklagen (s) ein Energiestrahl (E2) mit einer zweiten Strahlcharakteristik eingesetzt wird, wobei die erste Strahlcharakterisik im Vergleich zur zweiten Strahlcharakteristik eine geringere Leistung und einen kleineren Strahldurchmesser aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiestrahlen (E₁, E₂) unterschiedlicher Strahlcharakteristik durch zwei Strahlquellen (19, 20) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das messtechnische Erfassen des Oberflächenprofils mit der Messeinrichtung (M) durch eine optische Triangulationssensorik oder durch eine kamerabasierte Streifenprojektionstechnik oder durch eine induktive Näherungssensorik durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Toleranzbereich (t) für einen Wert kleiner oder gleich der Dicke der betreffenden Werkstücklage (s), bevorzugt einen Wert, der das 0,5-fache bis 0,9-fache der Dicke der betreffenden Werkstücklage (s) beträgt, festgelegt wird.
Computerprogrammprodukt zum Ergänzen eines Ablaufplans (A) für die Herstellung eines Werkstücks (11) in Werkstücklagen (s) mit einem pulverbettbasierten additiven Herstellungsverfahren durch einen hilfsweisen Ablaufplan (A_h) , wobei • ein erstes Programmmodul (P1) vorgesehen ist, wobei das erste Programmmodul (P1) eine erste Datenschnittstelle (I1) zur Eingabe einer durch den Ablaufplan (A) bestimmten Sollgeometrie des Werkstücks und eines gemessenen Oberflächenprofils der obersten Werkstücklage (s) aufweist und wobei mit dem ersten Programmmodul (P1) das Oberflächenprofil mit einer aus der Sollgeometrie des Werkstücks ermittelten Solloberfläche (24) der betreffenden Werkstücklage (s) vergleichbar ist, und Höhendifferenzen (h₁) zwischen dem Oberflächenprofil und der Solloberfläche (24) oder eine Höhendifferenz (h2) zwischen dem höchsten Areal (a₁) und dem tiefsten Areal (a₂) des gemessenen Oberflächenprofils der betreffenden Werkstücklage (s) berechenbar ist, • ein zweites Programmodul (P2) vorgesehen ist, mit dem ein hilfsweiser Ablaufplan (A_h) für eine auf dem Werksstück herzustellende und die Höhendifferenzen verringernde Zwischenlage erzeugbar ist, mit einer zweiten Schnittstelle (I2) zur Ausgabe des hilfsweisen Ablaufplanes (A_h) , • ein drittes Programmmodul (P3) vorgesehen ist, wobei das dritte Programmmodul (P3) eine dritte Datenschnittstelle (I3) zur Eingabe eines zulässige Höhendifferenzen (h1, h2) umfassenden Toleranzbereiches (t) aufweist, und wobei mit dem dritten Programmmodul (P3) abfragbar ist, ob die im ersten Programmmodul (P1) berechnete Höhendifferenz (h1, h2) den Toleranzbereich (t) überschreitet und im Falle eines Überschreitens des Toleranzbereiches (t) das zweite Programmmodul (P2) aktivierbar ist.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein viertes Programmmodul (P4) mit einer vierten Datenschnittstelle (I4) zur Eingabe von Messwerten der Topographie der obersten Werkstücklage (s) vorgesehen ist, wobei mit dem vierten Programmmodul (P4) ein Oberflächenprofil der betreffenden Werkstücklage (s) erzeugbar und über die erste Schnittstelle (I1) an da erste Programmmodul (P1) übergebbar ist.
Computerprogrammprodukt nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein fünftes Programmmodul (P5) vorgesehen ist, mit dem ein den zusätzlichen Materialauftrag der Zwischenlage (z) berücksichtigender korrigierter Ablaufplan (A_k) erzeugbar ist, mit einer fünften Schnittstelle (I5) zur Ausgabe des korrigierten Ablaufplans (A_k).
Computerlesbarer Datenträger, auf dem ein Computerprogrammprodukt nach einem der Ansprüche 9 bis 11 gespeichert ist.
Maschine zum additiven Herstellen eines Werkstücks (11), bei dem das Werkstück (11) in Werkstücklagen (s) in einem Pulverbett (13) herstellbar ist, welche • eine Messeinrichtung (M) aufweist, mit der eine Topographie der Werkstücklagen (s) messtechnisch erfassbar ist, • einen Rechner (C) aufweist, auf dem ein Computerprogrammprodukt nach einem der Ansprüche 9 bis 11 installiert ist.