DE102017206456A1

DE102017206456A1 - Verfahren zum Erzeugen von Steuerdaten, Datenverarbeitungsvorrichtung, Werkzeugmaschine und Programm

Info

Publication number: DE102017206456A1
Application number: DE102017206456.0A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Yamazaki; David Carter; Makoto Fujishima; Yohei Oda
Original assignee: DMG Mori Co Ltd; Machine Tool Tech Res Found; Machine Tool Technologies Research Foundation
Current assignee: DMG Mori Co Ltd; Machine Tool Tech Res Found; Machine Tool Technologies Research Foundation
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2017-10-19
Also published as: US20170297323A1; US10889098B2

Abstract

Ein Verfahren zum Erzeugen von Steuerdaten ist ein Verfahren zum Erzeugen von Steuerdaten zum Fertigen eines Produkts, das eine festgelegte Form aufweist, unter Verwendung einer additiven Fertigungstechnologie. Die Steuerdaten enthalten einen Weg (Pn) einer Düse zum Zuführen eines Materials. Das Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten enthält: Bestimmen eines Abtragungswegs (Pt) zum Abtragen der festgelegten Form durch ein Werkzeug; und Bestimmen des Wegs (Pn) der Düse durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs (Pn).

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Steuerdaten in einer additiven Fertigungstechnologie.
Beschreibung des Stands der Technik
Eine additive Fertigungstechnologie ist bereits bekannt. Die additive Fertigungstechnologie bezieht sich auf einen Prozess zum Produzieren eines Objekts durch Hinzufügen eines Materials basierend auf einer numerischen Darstellung einer dreidimensionalen Form. In vielen Fällen ist die additive Fertigungstechnologie durch Aufeinanderstapeln von Schichten implementiert und steht im Gegensatz zu einer subtraktiven Fertigungstechnologie. Es wird darauf hingewiesen, dass die Definition einer solchen additiven Fertigungstechnologie in ASTM F2792-12a (Standard-Terminologie für additive Fertigungstechnologien) von ASTM International bereitgestellt ist, die eine private Standardentwicklungsorganisation für industrielle Standards ist. Zusätzlich wird die additive Fertigungstechnologie auch als ”3D-Drucker” bezeichnet.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 2015-199197 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen eines Werkzeugwegs in einem Erzeugungsschritt für einen Schichtstapel in einem Pulverbettverfahren.
Außerdem ist, wie in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2003-005811 gezeigt ist, auch computerunterstützte Fertigung (CAM) bereits bekannt. Die CAM, die verwendet wird, um ein Produkt zu fertigen, ist Software zum Erzeugen eines NC-Programms zum Bearbeiten oder dergleichen basierend auf Formdaten, die durch CAD (computerunterstützte Konstruktion) als Eingangsdaten erzeugt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Technologie der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2015-199197 richtet sich auf das Pulverbettverfahren. Dieses Verfahren ist für ein Verfahren zum Stapeln dünner Schichten einer nach der anderen geeignet. Andererseits kann eine Form freier erzeugt werden durch ein Verfahren zum Plattieren auf einer Oberfläche eines Materials durch Emittieren von Laserlicht, während Pulver aus einer Düse aufgetragen werden. Es ist jedoch schwieriger, einen geeigneten Werkzeugweg der Düse zu bestimmen, die dreidimensional beweglich ist, im Vergleich zu einem Fall zum Ausführen von Verfestigung für jede Schicht (nur unter Berücksichtigung der Bewegung in einer Ebene).
Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung wurde hinsichtlich des vorstehenden Problems gemacht und weist ein Ziel auf, dieses zu schaffen: ein Verfahren zum Erzeugen von Steuerdaten (typischerweise einen Weg einer Düse), mit dem eine von einem Anwender gewünschte Form erzeugt werden kann, in einer additiven Fertigungstechnologie; eine Datenverarbeitungsvorrichtung, die konfiguriert ist, die Steuerdaten zu erzeugen; eine Werkzeugmaschine, die die additive Fertigungstechnologie implementieren kann; und/oder ein Programm zum Erzeugen der Steuerdaten.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen von Steuerdaten vorzugsweise ein Verfahren zum Erzeugen von Steuerdaten zum Fertigen eines Produkts, das eine festgelegte Form aufweist, unter Verwendung einer additiven Fertigungstechnologie. Die Steuerdaten enthalten (oder geben an) vorzugsweise einen Weg einer Düse zum Zuführen eines Materials. Das Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten enthält vorzugsweise: Bestimmen eines Abtragungswegs zum Abtragen der festgelegten Form durch ein Werkzeug; und/oder Bestimmen des Wegs der Düse durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung erzeugt eine Datenverarbeitungsvorrichtung Steuerdaten zum Fertigen eines Produkts, das eine festgelegte Form aufweist, unter Verwendung einer additiven Fertigungstechnologie. Die Steuerdaten enthalten (oder geben an) vorzugsweise einen Weg einer Düse zum Zuführen eines Materials. Die Datenverarbeitungsvorrichtung enthält vorzugsweise: eine erste Bestimmungseinheit, die konfiguriert ist, einen Abtragungsweg zum Abtragen der festgelegten Form durch ein Werkzeug zu bestimmen; und/oder eine zweite Bestimmungseinheit, die konfiguriert ist, den Weg der Düse durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs zu bestimmen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann eine Werkzeugmaschine eine additive Fertigungstechnologie implementieren. Die Werkzeugmaschine enthält vorzugsweise eine Steuereinheit, die konfiguriert ist, Steuerdaten zum Fertigen eines Produkts, das eine festgelegte Form aufweist, unter Verwendung der additiven Fertigungstechnologie zu erzeugen. Die Steuerdaten enthalten (oder geben an) vorzugsweise einen Weg einer Düse zum Zuführen eines Materials. Die Steuereinheit enthält vorzugsweise eine erste Bestimmungseinheit, die konfiguriert ist, einen Abtragungsweg zum Abtragen der festgelegten Form durch ein Werkzeug zu bestimmen. Die Werkzeugmaschine enthält vorzugsweise ferner eine zweite Bestimmungseinheit, die konfiguriert ist, den Weg der Düse durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs zu bestimmen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Programm verwendet, um Steuerdaten zum Fertigen eines Produkts, das eine festgelegte Form aufweist, unter Verwendung einer additiven Fertigungstechnologie zu erzeugen. Die Steuerdaten enthalten (oder geben an) vorzugsweise einen Weg einer Düse zum Zuführen eines Materials. Das Prozessor bewirkt vorzugsweise, dass ein Prozessor einer Datenverarbeitungsvorrichtung, die darin gespeichert das Programm aufweist: einen Abtragungsweg zum Abtragen der festgelegten Form durch ein Werkzeug bestimmt; und/oder den Weg der Düse durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs bestimmt.
Das Vorstehende und andere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung deutlicher, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen betrachtet wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist beispielhaft ein Ablaufplan zum Darstellen eines Verfahrens zum Bilden eines Werkzeugwegs einer Düse.
2 stellt beispielhaft einen Ablauf eines Prozesses dar, der in einer Werkzeugmaschine ausgeführt wird.
3 ist beispielhaft ein Diagramm zum Darstellen der äußeren Erscheinung und inneren Struktur einer Werkzeugmaschine zum Fertigen eines Verbundelements.
4 zeigt beispielhaft einen Zustand, in dem eine Einrichtung zur additiven Fertigung an einer Spindel angebracht ist.
5 zeigt beispielhaft einen Zustand, in dem ein Werkzeughalter an der Spindel angebracht ist.
6 zeigt beispielhaft eine Übersicht einer Hardwarekonfiguration der Werkzeugmaschine.
7 stellt beispielhaft eine Simulation subtraktiver Bearbeitung dar.
8 zeigt beispielhaft einen Verlauf der Fertigung eines Halbfertigprodukts, das eine zylindrische Form aufweist, durch additive Fertigung durch Bewegen der Düse entlang dem Werkzeugweg.
9 ist beispielhaft ein Funktionsblockdiagramm zum Darstellen einer funktionalen Konfiguration eines Bediensystems.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In der nachstehenden Beschreibung ist angenommen, dass ein Aufbringverfahren mit gesteuerter Energie als ein beispielhafter additiver Fertigungsprozess in der additiven Fertigungstechnologie verwendet ist. Es wird darauf hingewiesen, dass nachstehend beschriebene Steuerdaten während der additiven Fertigung verwendet werden. Insbesondere sind die Steuerdaten Daten zum Fertigen eines Produkts, das eine festgelegte Form aufweist, unter Verwendung der additiven Fertigungstechnologie.
<A. Einführung>
In dem Aufbringverfahren mit gesteuerter Energie entspricht eine Richtung, in der Materialpulver (Pulver) aufgetragen werden, vorzugsweise so weit wie möglich der Gravitationsrichtung. Ein Weg (nachstehend auch als ”Werkzeugweg Pn” bezeichnet) einer Düse zum Auftragen der Pulver wird durch Auswählen einer Form erhalten, die senkrecht zu der Gravitationsrichtung sein kann. Der Werkzeugweg Pn (Bewegungsweg, Bearbeitungsweg) kann aus der Form eines Endprodukts, das gefertigt werden soll, bestimmt werden, wie nachstehend beschrieben. Herkömmlicherweise wird ein optimaler Wert durch Versuch und Fehler bestimmt.
Als eines der Verfahren zum deterministischen Bestimmen von Steuerdaten wie z. B. eines Werkzeugwegs Pn stellt die vorliegende Anmeldung ein eindeutiges Verfahren bereit, in dem ein solcher Prozess von Versuch und Fehler weggelassen ist.
<B. Prinzip des Prozesses>
Die Materialpulver (Metallpulver) und ein Substrat werden durch Laser geschmolzen. Somit werden die Metallpulver auf das Substrat gesprüht und mit ihm verflüssigt, und dadurch wird ein Volumen vergrößert. Die Pulver können auf gestapelte Weise in der Gravitationsrichtung bereitgestellt werden (Randbedingung).
Die Materialpulver werden nicht geschmolzen, wenn sie nicht auf eine Temperatur, die nicht niedriger als der Schmelzpunkt des Materials ist, erwärmt werden. Um zu vermeiden, dass das Substrat zu stark erwärmt wird, werden die Materialpulver gekühlt und so schnell wie möglich verfestigt. Das heißt, die Materialpulver müssen erwärmt werden und müssen dann sofort gekühlt werden. Die Pulver (in einer flüssigen Form) aus der Düse werden zu dem Substrat hinzugefügt und mit ihm verflüssigt, und werden gleichzeitig durch die folgenden beiden Effekte gekühlt: Abführung von Wärme von dem geschmolzenen Punkt als Strahlungswärme; und Abführung von Wärme von einer Oberfläche des Materials aufgrund einer verringerten Temperatur des geschmolzenen Punkts durch Wärmeleitung, die von einer Temperaturdifferenz in dem Material herrührt. Als Ergebnis werden die Pulver verfestigt.
Insbesondere werden der Laserstrahl, die Metallpulver, Gas als Träger und Gas zum Schutz aus der Spitze der Düse zum Auftragen der Pulver aufgetragen, während die Düse in eine vorbestimmte Richtung bewegt wird. Dementsprechend wird auf einer Oberfläche eines Werkstücks ein geschmolzener Punkt erzeugt mit dem Ergebnis, dass die Metallpulver daran geschweißt werden.
<C. Parameter im Prozess>
Es sollen ungefähr 19 Parameter vorhanden sein, die einem Prozess zum Erzeugen eines Objekts durch die additive Fertigungstechnologie zugeordnet sind. Typische Beispiele der Parameter enthalten: eine Vorschubgeschwindigkeit der Düse zum Auftragen der Pulver; Überstreichen des Lasers zum Schmelzen der Pulver (Überstreichen zum Vergrößern eines Bereichs, der geschmolzen werden soll); eine Zufuhrmenge der Pulver pro Zeiteinheit; eine Leistungsabgabe des Lasers pro Zeiteinheit; und dergleichen.
Durch Einsetzen spezifischer numerischer Werte in solche Parameter und Bedienen eines Steuerprogramms in einer Einrichtung zur additiven Fertigung wird ein Prozess in der additiven Fertigungstechnologie verwirklicht. Das stellt jedoch nicht sicher, dass ein gewünschtes Endobjekt erhalten wird. Kombinationen der Parameter sind jedoch endgültig. Durch Wiederholen von Versuch und Fehler kann ein Ergebnis nahe dem gewünschten Ergebnis mit Hilfe des Prozesses erhalten werden. Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Elemente für Kriterien vorhanden sind zum Bestimmen, ob der Prozess erfolgreich oder fehlgeschlagen ist, wie z. B. Festigkeit des Produkts (Endobjekts), Dichte einer Metallstruktur des Produkts und dergleichen.
Durch den vorstehenden Prozess wird ein Objekt mit einer Form nahe derjenigen des Endprodukts (auch als ”nahezu endformgetreues Halbfertigprodukt” bezeichnet) erhalten. Um die Oberflächenrauigkeit und die Maßhaltigkeit des Halbfertigprodukts zu verbessern, kann in einigen Fällen Abtragen und Schleifen durch herkömmliche Verfahren erforderlich sein.
Außerdem weisen einige Objekte, die durch additive Fertigungstechnologie gefertigt werden sollen, keine konstanten Formen auf. Abhängig von einer Form können Parameter durch Einstellen einer Leistungsabgabe (Energie) des Lasers oder dergleichen dynamisch verändert werden (auch als ”dynamische additive Steuerung” bezeichnet).
<D. Anforderungen>
Eine Pulverzuführeinrichtung ist auf einer herkömmlicherweise bekannten Werkzeugmaschine (wie z. B. einer 5-Achsen-Werkzeugmaschine) montiert und wird synchron mit der Bewegung der Düse und der Zuführung der Pulver bewegt. In der Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, alle folgenden Parameter auf der Basis der Zeit durch einen Computer zu steuern: eine Geschwindigkeit der Düse, die in einem Raum bewegt werden soll; eine Pulvermenge, die aus der Düse aufgetragen werden soll; und eine Leistungsabgabe des Lasers, die emittiert werden soll, um die Pulver zu schmelzen.
Vor dem Bestimmen der Leistungsabgabe (Intensität) des Lasers, der Zuführungsmenge der Pulver und dergleichen ist es notwendig, den Werkzeugweg Pn (Weg der Düse) zu bestimmen (erste Anforderung). Es ist an einer initialen Stufe sehr wichtig, den Werkzeugweg Pn zu bilden, in dem die Düse bewegt wird, um das Bilden der Kontur einer dreidimensionalen Form zu erreichen. Nach dem Bestimmen des Werkzeugwegs Pn werden die Zufuhrmenge der Pulver und die Leistungsabgabe des Lasers bestimmt. Falls die Zufuhrmenge der Pulver groß ist, ist es notwendig, die Laserintensität zu erhöhen, um unzureichendes Schmelzen und Verfestigen der Pulver zu verhindern. Falls die Zufuhrmenge der Pulver klein ist und die Laserintensität hoch ist, werden die Pulver verdampft. Somit ist es notwendig, die Laserintensität zu verringern.
Somit werden basierend auf dem erzeugten Werkzeugweg Pn die Zufuhrmenge der Pulver und die Leistungsabgabe des Lasers so bestimmt, dass sie in Synchronisation miteinander sind (Parameteroptimierungsverfahren (zweite Anforderung)).
Einige Pulver werden nicht zu dem Substrat hinzugefügt, wenn sie nicht auf eine sehr hohe Temperatur erwärmt sind. Andererseits kann eine zu hohe Temperatur zur Bildung großer Metallkristallpartikel führen, wenn die geschmolzenen Pulver verfestigt werden. Das kann ein Problem mit der Festigkeit des Produkts verursachen. Deshalb ist es, um die Pulver auf geeignete Weise auf das Substrat hinzuzufügen und die Festigkeit des Produkts zu erhöhen, notwendig, die Temperatur (insbesondere die Leistungsabgabe des Lasers) zu optimieren, wenn die Pulver hinzugefügt werden. Ferner, da eine Abkühlgeschwindigkeit des Substrats mit den darauf hinzugefügten Pulvern ebenfalls einen Einfluss auf die Festigkeit des Produkts aufweist, ist es außerdem notwendig, die Abkühlgeschwindigkeit zu optimieren (dritte Anforderung). Insbesondere muss, damit ein Endprodukt eine vorbestimmte Qualität erfüllt, eine Steuerung unter Berücksichtigung eines Wärmeübertragungsphänomens unter der in der zweiten Anforderung bestimmten Bedingung ausgeführt werden (weiterentwickelter Schritt).
<E. Ansätze>
(1) Erster Ansatz
Der Werkzeugweg Pn (Weg der Düse) wird basierend auf einem geometrischen Prozess erzeugt.
(2) Zweiter Ansatz
Aufbringen des Materials (Metalls) aufgrund der Bewegung der Düse wird gesteuert. Ein Prozess wird im Zusammenhang mit der Bewegung der Maschine, der Form (Anordnung) und dem Aufbringen des Materials ausgeführt. Es wird darauf hingewiesen, dass komplizierte Dynamik von Wärme- und Massenübertrag ignoriert werden kann.
(3) Dritter Ansatz
Dass verbesserte Systemmodell zum Verbessern der Prozesssteuerung wird hinzugefügt. Um ein vollständigeres Systemsteuerungsmodell zu konstruieren, wird ein Wärme- und Massenübertragungsphänomenmodell eingeführt.
Durch Hinzufügen des dritten Ansatzes zu dem ersten Ansatz und dem zweiten Ansatz wird eine hochwertigere (vollständigere) Technologie erreicht.
<F. Verfahren>

(1) Zuerst werden bestimmt: eine Art zum Bewegen der Düse; und eine Pulvermenge, die synchron mit der Bewegung der Düse zugeführt werden soll.

Die Bearbeitung in einer allgemeinen Werkzeugmaschine ist eine subtraktive Bearbeitung, die im Gegensatz zu der additiven Fertigung steht. Typischerweise ist subtraktive Bearbeitung das Abtragen von Metall. In der subtraktiven Bearbeitung werden, beispielsweise um eine zylindrische Form aus einem Rohmaterial (Startmaterial, das aus einem Metall- oder Legierungsblock besteht) zu bilden, unnötige Abschnitte unter Verwendung eines Werkzeugs zerspant.
Andererseits wird in der additiven Fertigungstechnologie eine Form durch Sprühen von Pulvern auf ein Substrat erzeugt, während eine Düse auf eine Weise bewegt wird, die der zylindrischen Form entspricht.
In dem Fall der additiven Fertigung ist es, basierend auf einem Produkt, das tatsächlich gefertigt werden soll (Produkt, das von dem Anwender gewünscht ist), notwendig zu bestimmen: eine Position, der zuerst die Pulver in dem Raum zugeführt werden sollen; eine Art zum Bewegen der Düse; und eine Pulvermenge, die dort zugeführt werden soll.

(2) 1 ist ein Ablaufplan zum Darstellen eines Verfahrens zum Bilden des Werkzeugwegs Pn (Weg der Düse). Mit Bezug auf 1 führt in einem Schritt S1 eine Werkzeugmaschine (typischerweise eine Steuereinrichtung mit numerischen Werten) einen geometrischen Prozess aus, um einen Werkzeugweg für subtraktive Bearbeitung zu erzeugen. In einem Schritt S2 führt die Werkzeugmaschine eine Simulation für die subtraktive Bearbeitung aus.

In einem Schritt S3 kehrt die Werkzeugmaschine die Anordnung des Werkzeugwegs um (berechnet einen dazu umgekehrten Weg). In einem Schritt S4 optimiert die Werkzeugmaschine einen Parameter für den additiven Fertigungsprozess (additives Formen). In einem Schritt S5 erzeugt die Werkzeugmaschine ein Programm für die additiven Fertigungsverarbeitung und ein ausführbares NC-Programm (Programm zur numerischen Steuerung).
Außerdem extrahiert die Werkzeugmaschine während einer Zeitspanne von Schritt S2 bis Schritt S4 Korrelationsdaten zwischen dem Werkzeugweg und jedem aus Zeit und Position zum Entfernen des Rohmaterials, wie in einem Schritt S6 gezeigt ist. Somit werden die Daten, die tatsächlich in den Steuerparametern des additiven Fertigungsprozesses verwendet werden sollen, aus der Simulation der subtraktiven Bearbeitung erhalten.

(3) 2 stellt einen Ablauf eines Prozesses dar, der in der Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt wird. Außerdem stellt 2 auch die in Schritt S2 von 1 gezeigte Simulation der subtraktiven Bearbeitung dar. Das Folgende beschreibt einen Fall zum Erzeugen eines Halbfertigprodukts, das eine säulenartige Form aufweist, unter Verwendung der additiven Fertigungstechnologie.

Zuerst erzeugt der Anwender Formdaten, die eine säulenartige Form angeben, über CAD (computerunterstützte Konstruktion). Die Formdaten werden dann als Eingabe für CAM (computerunterstützte Fertigung) verwendet. Dementsprechend kann eine Simulation zum Abtragen der säulenartigen Form ausgeführt werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die CAM in der Steuereinrichtung mit numerischen Werten der Werkzeugmaschine installiert sein oder in einer Datenverarbeitungsvorrichtung 800 (Siehe 3), die mit der Werkzeugmaschine kommunizieren kann, installiert sein kann.
Mit Bezug auf 2, wie in den Zuständen (A) bis (C) gezeigt ist, wird ein hypothetisches Rohmaterial eingesetzt. Dieses hypothetische Rohmaterial wird durch ein Werkzeug (Schaftfräser) entlang einem bestimmten Abtragungsweg abgetragen, bis das hypothetische Rohmaterial schließlich nur in Spänen gebildet ist. Es wird darauf hingewiesen, dass, da diese Prozesse durch allgemein verfügbare CAM (Software, die zur dreidimensionalen Simulation von Metallabtragen fähig ist) ausgeführt wird, keine tatsächliche Bearbeitung ausgeführt wird.
In der Simulation wird das Halbfertigprodukt, das die säulenartige Form aufweist, vollständig in Späne gebildet. Somit ist diese Simulation ein Schritt, der zum Produzieren eines Endprodukts durch Abtragen unnötig ist. Diese Simulation ist jedoch in der additiven Fertigungstechnologie wesentlich. Das wird wie folgt erklärt.
Jeder Ablauf der Simulation wird in einem Speicher des Computers (Steuereinrichtung mit numerischen Werten) vollständig aufgezeichnet. Eine Menge erzeugter Späne (d. h. eine Menge des entfernten Metalls) aufgrund der Bewegung und der Änderung der Stellung des Werkzeugs wird in dem Speicher zusammen mit dem Bewegungsweg des Werkzeugs aufgezeichnet.
Da der Computer Informationen speichert, bis das Rohmaterial vollständig abgetragen ist, reproduziert der Computer zeitlich umgekehrt diese Informationseinheiten. Durch zeitlich umgekehrtes Anordnen der vollständig aufgezeichneten Daten auf diese Weise, ist eine Beziehung zwischen dem Düsenweg und der entfernten Menge bekannt. Schließlich wird die Form zu der anfänglichen Form zurück gebracht.
Durch umgekehrtes Reproduzieren des Ablaufs des vollständigen Abtragens des Rohmaterials (Zustand (D)) kehrt die Form zu der anfänglichen Form zurück. In dem Fall der additiven Fertigung entspricht das dem ”endgültigen Erhalten einer gewünschten Form als ein Ergebnis des Auftragens in einem Raum einer Menge von Pulvern, die der entfernten Menge entspricht”.
Die als Späne entfernte Menge wird durch die Simulation erhalten. Die als Späne entfernte Menge kann durch Bestimmen einer Menge (eines Volumens) eines überlappten Bereichs zwischen dem Werkzeug und dem Rohmaterial bestimmt werden.
Der Werkzeugweg Pn wird unter Verwendung der CAM erzeugt. Normalerweise wird ein optimaler Weg automatisch in Übereinstimmung mit einer Form eingestellt.
Die Vorschubgeschwindigkeit und der Durchmesser (die Dicke) des Werkzeugs sind wichtige Elemente. Die entfernte Menge wird basierend auf dem überlappten Bereich zwischen dem Werkzeug und dem Rohmaterial bestimmt, wie er aus diesen Informationselementen berechnet wird. Die entfernte Menge wird mit dem Verlauf der Zeit geändert. Die entfernte Menge wird abhängig von ”Abtragungszuständen” geändert. Außerdem werden in der CAM, wenn die Abtragungsmenge (Zeiteinheit) eingestellt wird, die Vorschubgeschwindigkeit und dergleichen automatisch bestimmt. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Menge der zugeführten Pulver basierend auf der als Späne entfernten Menge bestimmt.
<G. Steuerung der Materialaufbringung>

(1) In der vorliegenden Ausführungsform ist es notwendig, als drei wichtige Parameter unter den 19 vorstehend beschriebenen Parametern, die Bewegungsgeschwindigkeit der Düse, die Leistungsabgabe (Leistung) des Lasers und die Zufuhrmenge der Pulver zu bestimmen.

Die Menge der Späne aufgrund der Bewegung des Werkzeugs (d. h. die entfernte Menge) wird bestimmt. Die Menge weist eine Korrelation mit der Zufuhrmenge der Pulver auf, die der Bewegung der Düse zugeordnet ist. Die Leistungsabgabe des Lasers, die notwendig ist, um die Pulver zu schmelzen, kann basierend auf der Menge der Späne berechnet werden.
In dem Fall des Abtragens, wenn die Form des Bewegungswegs kompliziert ist oder keine geradlinige Form ist, ändert sich die Menge der erzeugten Späne abhängig von der Bewegung des Werkzeugs merklich. Andererseits ist es in dem Fall der additiven Fertigung schwierig, die Zufuhrmenge der Pulver augenblicklich zu ändern.
Deshalb wird in der additiven Fertigung wahrscheinlicher ein Produkt hoher Qualität durch Ändern der Bewegungsgeschwindigkeit der Düse, um eine konstante Pulvermenge zuzuführen, gefertigt. Mit anderen Worten wird, um eine Aufbringmenge der Pulver pro Einheitsfläche zu erhöhen, die Bewegungsgeschwindigkeit der Düse verringert, während die Bewegungsgeschwindigkeit der Düse gesteigert wird, um die Aufbringmenge zu verringern. Als eine weitere Lösung können, wenn die Abtragungsinformationen durch die CAM erzeugt werden, die Bewegungsgeschwindigkeit und der Weg des Werkzeugs erzeugt werden, um eine konstante Menge von Spänen zu erzeugen.

(2) Eine Position, an der die Pulver zugeführt werden, und eine Menge der Pulver, die dort zugeführt werden soll, werden mit einem konstanten Fluss gesteuert, der immer erhalten wird, während die Pulverflussrate gesteuert wird.

Wie vorstehend beschrieben wird in der vorliegenden Ausführungsform der folgende Punkt beachtet: das Volumen des festen Materials, das hinzugefügt werden soll, fällt mit dem Volumen, das in der Simulation entfernt wird, zusammen. Das heißt, die als Chips entfernte Menge wird als die Zufuhrmenge der Pulver in der additiven Fertigung eingesetzt. In der vorliegenden Ausführungsform wird eine erforderliche Zufuhrmenge der Pulver, die entlang dem Werkzeugweg Pn zugeführt werden sollen, um eine gewünschte Aufbringmenge zu erhalten, vorhergesagt. Ferner wird eine Leistungsabgabe des Lasers, die erforderlich ist, um die Pulver, die aufgebracht werden sollen, zu schmelzen, vorhergesagt.
<H. Implementierung usw.>
Der vorstehend beschriebene Prozess kann durch Hinzufügen einer Funktion (eines Programmmoduls) zu der CAM implementiert werden. Das heißt, das Programmmodul wird auf dem Bediensystem der CAM ausgeführt.
Ein solches Programmmodul kann in der Werkzeugmaschine installiert sein, die die Steuereinrichtung mit numerischen Werten enthält, die darin installiert die CAM aufweist, wie vorstehend beschrieben, oder es kann in einem Computer installiert sein, der in Kommunikation mit der Werkzeugmaschine ist oder zur Datenübertragung mit der Werkzeugmaschine über ein externes Speichermedium imstande ist.
Ein Vorteil einer solchen Konfiguration ist, dass das herkömmliche CAM-Programm zum Abtragen verwendet werden kann. Mit anderen Worten kann nur durch Hinzufügen der Funktion (des Programmmoduls) die CAM zum Abtragen in eine CAM zur additiven Fertigung modifiziert werden.
<I. Typische Konfiguration>

(1) In dem Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten (der Datenverarbeitungsvorrichtung, der Werkzeugmaschine oder des Programms) gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Werkzeugweg Pn für die additive Fertigung durch Erzeugen unter Verwendung der CAM eines Wegs zum Abtragen einer speziellen Form (zum Zweck des Entfernens) und seiner umgekehrten Reproduktion erzeugt. Insbesondere werden Daten erhalten, die die Form eines Produkts angeben, und basierend auf den Daten wird durch die CAM ein Weg (Abtragungsweg) zum hypothetischen Abtragen automatisch oder manuell erzeugt. Durch umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs wird in dem Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten ein Weg für die additive Fertigung erzeugt.

Es wird darauf hingewiesen, dass wie vorstehend beschrieben der Werkzeugweg Pn (Werkzeugweg für die additive Fertigung) durch Vorbereiten der Form durch den Anwender unter Verwendung der CAD und Bearbeiten der CAD-Daten (Formdaten) unter Verwendung der CAM-Software erzeugt wird.
In dem Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten gemäß der vorliegenden Ausführungsform bestimmt das Programmmodul, wenn der Werkzeugweg Pn bestimmt wird, die Zufuhrmenge der Pulver, die Bewegungsgeschwindigkeit der Düse und die Leistungsabgabe (Intensität und Leistung) des Lasers. Insbesondere bestimmt in dem Verfahren zum Erzeugen des Werkzeugwegs Pn das Programmmodul die vorstehend beschriebenen Steuerdaten (insbesondere den Wert einer Variablen) basierend auf dem Simulationsergebnis der als Späne entfernten Menge. Es wird darauf hingewiesen, dass die Richtung der Düse (die Richtung, in der die Pulver aufgetragen werden) die Richtung der Gravitation (die Richtung vertikal nach unten) ist.

(2) Zur Bestimmen des Werkzeugwegs Pn Die folgende Konfiguration kann eingesetzt werden: der Werkzeugweg Pn (Weg für die additive Fertigung) ist nicht lediglich umgekehrt (entgegengesetzt) zu dem Weg zum Abtragen im Fall der Simulation in der CAM. Das liegt daran, dass beispielsweise dann, wenn der additive Fertigungsprozess das Aufbringverfahren mit gesteuerter Energie ist, in dem Pulver in einen Raum gesprüht werden, die Pulver durch Sprühen in der Gravitationsrichtung stabiler auf eine Oberfläche eines Werkstücks gesprüht werden.

Insbesondere wird in dem Verfahren zum Herstellen des Werkzeugwegs Pn gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Werkzeugweg Pn (Weg für die additive Fertigung) so erzeugt, dass der Spitzenpunkt (Position eines Rands) des Werkzeugs mit der Position, die mit dem Laser bestrahlt wird, zusammenfällt.
<J. Äußere Erscheinung und innere Struktur der Werkzeugmaschine>
3 ist ein schematisches Diagramm zum Darstellen der äußeren Erscheinung und inneren Struktur einer Werkzeugmaschine 1 zum Fertigen eines Verbundelements. Mit Bezug auf 3 enthält die Werkzeugmaschine 1 ein Bediensystem 11, einen Spritzschutz 12, einen Spindelkopf 13, eine Spindel 14, eine Dreheinrichtung 18, eine Tür 19 und eine Tischeinrichtung 20.
Die Tischeinrichtung 20 weist einen Drehtisch 16 und eine Halterung 17, die konfiguriert ist, den Drehtisch 16 drehbar zu lagern, auf. Die Tischeinrichtung 20 ist an der Dreheinrichtung 18 angebracht. Insbesondere ist die Halterung 17 an dem Mittelabschnitt der Dreheinrichtung 18 befestigt.
In der vorliegenden Ausführungsform dient das Bediensystem 11 nicht nur als herkömmliches Bedienfeld (Programmeditiereinrichtung), sondern führt auch eine Funktion als Steuereinrichtung mit numerischen Werten aus. Es wird darauf hingewiesen, dass die Werkzeugmaschine 1 nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt ist, und dass die Steuereinrichtung mit numerischen Werten nicht in dem Gehäuse der in der Figur gezeigten Laptop-Einrichtung bereitgestellt sein kann, sondern getrennt in dem Hauptkörper der Werkzeugmaschine 1 bereitgestellt sein kann.
Das Bediensystem 11 (insbesondere die Steuereinrichtung mit numerischen Werten des Bediensystems 11) steuert den Gesamtbetrieb der Werkzeugmaschine 1 durch Ausführen eines Programms oder dergleichen, das durch einen Anwender konzipiert ist. Beispielsweise steuert das Bediensystem 11 den Betrieb des Spindelkopfs 13 der Spindel 14, der Dreheinrichtung 18, der Tür 19, der Tischeinrichtung 20 und einer später beschriebenen Einrichtung 30 für additive Fertigung. Es wird darauf hingewiesen, dass das Bediensystem 11 ein bekanntes System ist und deshalb hier nicht ausführlich beschrieben ist.
Der Spindelkopf 13 ist an einem Querträger (nicht gezeigt) angebracht. Der Spindelkopf 13 ist so vorgesehen, dass er sich gleitend in einer axialen Richtung, die durch einen Pfeil 901 dargestellt ist, (X-Achsenrichtung) und einer axialen Richtung, die durch einen Pfeil 902 dargestellt ist, (Y-Achsenrichtung) bewegt. Die Spindel 14 ist an dem Spindelkopf 13 angebracht.
Die Spindel 14 ist so vorgesehen, dass sie sich in einer axialen Richtung, die durch einen Pfeil 903 dargestellt ist, (Z-Achsenrichtung) bewegt. Die Spindel 14 weist eine Spitze auf, die mit einer Struktur versehen ist, an der ein Werkzeughalter, an dem ein Werkzeug angebracht ist, installiert sein kann.
Beispiele eines Werkzeughalters enthalten: die Einrichtung 30 für additive Fertigung (4), die konfiguriert ist, die additive Fertigungstechnologie zu implementieren; und einen Werkzeughalter, der in einem Werkzeugmagazin (nicht gezeigt) aufbewahrt ist (beispielsweise einen Werkzeughalter 40 (5), der einen Schaftfräser enthält). Es wird darauf hingewiesen, dass ein Werkzeughalter, der nicht die Einrichtung 30 für additive Fertigung ist, an der Spindel 14 durch einen automatischen Werkzeugwechsler 21 (5) angebracht ist.
Das Werkzeugmagazin ist gegenüber dem Bearbeitungsbereich in Bezug auf die Tür 19 angeordnet (d. h. hinter der Tür 19 in 3 angeordnet). Es wird darauf hingewiesen, dass sich der Begriff ”Bearbeitungsbereich” auf einen Raum (Innenraum der Werkzeugmaschine 1) bezieht, der durch den Spritzschutz 12 und die Tür 19 unterteilt ist und in dem der Spindelkopf 13, die Spindel 14, die Dreheinrichtung 18, die Tischeinrichtung 20, die Einrichtung 30 für additive Fertigung, ein Werkstück und dergleichen beweglich platziert sind.
Sowohl der Spindelkopf 13 als auch die Spindel 14 sind auf geeignete Weise mit einer Vorschiebestruktur, einer Führungsstruktur, einem Antriebsmotor und dergleichen versehen, um ihre Gleitbewegung zu ermöglichen. In der Werkzeugmaschine 1 können die jeweilige Gleitbewegung des Spindelkopfs 13 und der Spindel 14 kombiniert sein, um die Position des Werkzeugs, das an dem Werkzeughalter angebracht ist, frei in dem XYZ-Raum zu ändern.
Die Dreheinrichtung 18 ist so vorgesehen, dass sie durch einen Motorantrieb in Bezug auf eine Mittelachse, die sich in der X-Achsenrichtung erstreckt, drehbar ist. Die Drehung der Dreheinrichtung 18 bewirkt, dass sich die Tischeinrichtung 20 im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn (die Richtung, die durch einen Pfeil 904 dargestellt ist) in Bezug auf die Mittelachse dreht.
In einem Standardzustand, wie in 3 gezeigt ist, ist der Drehtisch 16 der Tischeinrichtung 20 so vorgesehen, dass er durch einen Motorantrieb in Bezug auf die Mittelachse, die sich in der vertikalen (Z-Achsen-)Richtung erstreckt, drehbar ist. Es wird darauf hingewiesen, dass, da der Drehtisch 16 durch die Dreheinrichtung 18 in der Richtung von Pfeil 904 gedreht wird, die Mittelachse der Drehung des Drehtischs 16 geändert wird während sie parallel zu der YZ-Ebene gehalten wird.
Auf dem Drehtisch 16 wird ein Werkstück unter Verwendung eines Spannfutters oder verschiedenen Typen von Aufspannvorrichtungen gehalten. Während des Abtragens mit einem stationären Werkzeug wird der Drehtisch 16 gedreht, um zu verursachen, dass sich das Werkzeug im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn (Richtung von Pfeil 905) in Bezug auf die Mittelachse dreht.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist die Werkzeugmaschine 1 imstande, eine Stellung eines Elements wie z. B. eines Werkstücks, das in dem Bearbeitungsbereich platziert ist, zu ändern.
4 zeigt einen Zustand, in dem die Einrichtung 30 zur additiven Fertigung an der Spindel 14 angebracht ist. Mit Bezug auf 4 enthält die Einrichtung 30 zur additiven Fertigung eine Auftragungseinheit 310, eine Anbringungseinheit 320 und eine Schlaucheinheit 330.
Obwohl Einzelheiten später beschrieben werden, werden Metallpulver oder dergleichen aus der Spitze 311 der Auftragungseinheit 310 aufgetragen. Die Anbringungseinheit 320 ist ein Element zum Befestigen der Einrichtung 30 zur additiven Fertigung an der Spindel 14. Die Schlaucheinheit 330 ist ein Zuführungsweg für die Pulver oder dergleichen. Die Schlaucheinheit 330 ist vorgesehen, um die Pulver oder dergleichen aus einer Einrichtung (nicht gezeigt), die darin bevorratet die Pulver aufweist, über die Anbringungseinheit 320 zu der Auftragungseinheit 310 zuzuführen.
Wenn die Einrichtung 30 zur additiven Fertigung nicht verwendet wird, enthält die Werkzeugmaschine 1 die Einrichtung 30 zur additiven Fertigung in einem Halter 39 für die Einrichtung zur additiven Fertigung (siehe 5). Es wird darauf hingewiesen, dass der Halter 39, um die Einrichtung 30 zur additiven Fertigung darin aufzunehmen, konfiguriert ist, in Bezug auf eine Drehachse drehbar zu sein, während er parallel zu der XY-Ebene gehalten wird. Das heißt, der Halter 39 wird in Bezug auf eine Achse parallel zu der Z-Achse gedreht.
5 zeigt einen Zustand, in dem der Werkzeughalter 40 an der Spindel 14 angebracht ist. Mit Bezug auf 5 führt das Bediensystem 11 eine Steuerung aus, um die Tür 19 zu öffnen, und bewirkt dann, dass der automatische Werkzeugwechsler den Werkzeughalter 40 an der Spindel 14 anbringt. Es wird darauf hingewiesen, dass der Werkzeughalter 40 in einem Zustand ausgetauscht wird, in der die Einrichtung 30 zur additiven Fertigung in dem Halter 39 aufgenommen ist.
<K. Hardwarekonfiguration>
6 zeigt eine Übersicht einer Hardwarekonfiguration der Werkzeugmaschine 1. Mit Bezug auf 6 enthält die Werkzeugmaschine 1 das Bediensystem 11, den Spindelkopf 13, die Spindel 14, die Dreheinrichtung 18, die Tischeinrichtung 20, den automatischen Werkzeugwechsler 21, das Werkzeugmagazin 22 und die Einrichtung 30 zur additiven Fertigung.
Das Bediensystem 11 weist eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) 91, einen Speicher 92, eine Kommunikations-IF (Kommunikationsschnittstelle) 93, eine Anzeigevorrichtung 94 und eine Bedientaste 95 auf.
Die CPU 91 führt verschiedene Typen von Programmen aus, die in dem Speicher 92 gespeichert sind, und steuert dadurch die jeweiligen Operationen von Einheiten der Werkzeugmaschine 1 über die Kommunikations-IF 93. Die Anzeigevorrichtung 94 zeigt verschiedene Typen von Informationen in der Werkzeugmaschine 1 an, so dass der Anwender der Werkzeugmaschine 1 die Informationen visuell erkennen kann. Die Bedientaste 95 nimmt verschiedene Eingaben (beispielsweise Eingaben zum Starten der Bearbeitung) an, die durch den Anwender bereitgestellt werden.
Insbesondere speichert der Speicher 92 des Bediensystems 11: die CAM; und das Programmmodul zum Implementieren der additiven Fertigungstechnologie, die die vorstehend beschriebene umgekehrte Reproduktion einsetzt. Es wird darauf hingewiesen, dass dann, wenn das Bediensystem 11 einen Prozess in Übereinstimmung mit einer Anweisung von dem Anwender ausführt, ein Halbfertigprodukt oder ein Endprodukt gefertigt wird.
<L. Ausführliches Beispiel>
Das Folgende beschreibt einen Fall, in dem ein Halbfertigprodukt, das eine zylindrische Form aufweist, unter Verwendung der additiven Fertigungstechnologie erzeugt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass 7 den Zuständen (A) bis (C) von 2 entspricht und 8 dem Zustand (D) von 2 entspricht. Die 7 und 8, in denen das Halbfertigprodukt, das die zylindrische Form aufweist, gefertigt wird, sind jedoch von 2 verschieden, in der das Halbfertigprodukt, das die säulenartige Form aufweist, gefertigt wird.
(1) Simulation der subtraktiven Bearbeitung
7 stellt außerdem die Simulation der subtraktiven Bearbeitung dar. Das heißt, 7 stellt die Simulation in der CAM dar.
Mit Bezug auf 7 repräsentiert der Zustand (A) einen Zustand, in dem ein Rohmaterial 500 (hypothetisches Rohmaterial), das eine Zylinderform aufweist, um etwa 1/3 von einem oberen Ende abgetragen ist in Übereinstimmung mit einem Abtragungszustand (der einen Abtragungsweg enthält), der in der CAM bestimmt wird. Ein Weg Ps repräsentiert einen Weg der Spitze eines hypothetischen Werkzeugs 600 (beispielsweise eines Schaftfräsers) bis zum Start des Abtragens. Das heißt, der Weg Ps repräsentiert einen Weg der Spitze des Werkzeugs 600 bis die Spitze in Kontakt mit dem oberen Ende des Rohmaterials 500 kommt. Ein Weg Pta repräsentiert einen Teil eines Abtragungswegs Pt (siehe Zustand (C) von 7). Das heißt, der Weg Pta repräsentiert einen Weg, in dem das Werkzeug 600 bereits bewegt worden ist, in dem Abtragungsweg Pt, der in der CAM bestimmt wird.
Der Zustand (B) repräsentiert einen Zustand, in dem das Abtragen ab dem Zustand (A) fortfährt. Insbesondere repräsentiert der Zustand (B) einen Zustand, in dem das Rohmaterial 500 um ungefähr 2/3 von dem oberen Ende des Rohmaterials 500 abgetragen ist. Ein Weg Ptb repräsentiert einen Teil des Abtragungswegs Pt. Das heißt, der Weg Ptb repräsentiert einen Weg, in dem das Werkzeug 600 bereits bewegt worden ist, in dem Abtragungsweg Pt.
Der Zustand (C) repräsentiert einen Zustand, in dem das Abtragen ab dem Zustand (B) fortfährt. Insbesondere repräsentiert der Zustand (C) einen Zustand, in dem das Rohmaterial 500 vollständig abgetragen ist. Auf diese Weise ist das Rohmaterial 500, das die zylindrische Form aufweist, durch das Werkzeug 600 vollständig abgetragen, mit dem Ergebnis, dass das Rohmaterial 500 nicht mehr existiert.
Das Bediensystem 11 der Werkzeugmaschine 1 speichert die als Späne entfernte Menge, wenn sie das Werkzeug 600 entlang dem Abtragungsweg Pt bewegt (die entfernte Menge pro Zeiteinheit) in Zuordnung zu der Position des Werkzeugs 600 (auf dem Abtragungsweg Pt), der Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs 600 und dergleichen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs 600 auch unter Verwendung der CAM bestimmt werden kann. Außerdem ist die entfernte Menge ein Wert, der durch die Simulation in dem CAM berechnet wird, wie vorstehend beschrieben.
(2) Fertigungsprozess des Halbfertigprodukts durch additive Fertigung
Das Bediensystem 11 erzeugt die Steuerdaten, die den Werkzeugweg Pn enthalten, durch Ausführen des Programmmoduls zum Implementieren der additiven Fertigungstechnologie unter Verwendung der vorstehend beschriebenen umgekehrten Reproduktion. Insbesondere, wie vorstehend beschrieben, bestimmt das Bediensystem 11 den Werkzeugweg Pn, der verwendet werden soll, wenn eine festgelegte zylindrische Form (Form gleich der des Rohmaterials 500) erzeugt wird, durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs Pt (siehe Zustand (C) von 7). Außerdem bestimmt das Bediensystem 11 Werte der Steuerdaten wie z. B. die Zufuhrmenge der Pulver und die Leistungsabgabe des Lasers.
8 zeigt einen Ablauf der Fertigung eines Halbfertigprodukts 700, das eine zylindrische Form aufweist, durch die additive Fertigung durch Bewegen der Düse (insbesondere der Einrichtung 30 zur additiven Fertigung) entlang dem Werkzeugweg Pn.
Der Zustand (A) repräsentiert einen Zustand, in dem ein Zwischenkörper 700A, der eine Höhe etwa 1/3 so hoch wie diejenige der festgelegten zylindrischen Form aufweist, durch Bewegen der Einrichtung 30 zur additiven Fertigung entlang dem Werkzeugweg Pn erzeugt wird. Der Zustand (B) repräsentiert einen Zustand, in dem ein Zwischenkörper 700B, der eine Höhe etwa 2/3 so hoch wie diejenige der festgelegten zylindrischen Form aufweist, durch Bewegen der Einrichtung 30 zur additiven Fertigung weiter über den Zustand (A) hinaus entlang dem Werkzeugweg Pn erzeugt wird.
Der Zustand (C) repräsentiert einen Zustand unmittelbar nach dem Beenden der Fertigung des Halbfertigprodukts 700, das die zylindrische Form aufweist, das durch Bewegen der Einrichtung 30 zur additiven Fertigung weiter über den Zustand (B) hinaus entlang dem Werkzeugweg Pn erzeugt wird.
Wie vorstehend beschrieben bestimmt das Bediensystem 11 den Werkzeugweg Pn, der der Weg der Düse ist, durch zeitliches Umkehren des Abtragungswegs Pt. Dann bewegt das Bediensystem 11 die Düse entlang dem bestimmten Werkzeugweg Pn, wodurch das Halbfertigprodukt, das die festgelegte Form aufweist, durch die Werkzeugmaschine 1 erzeugt wird.
<M. Funktionale Konfiguration>
9 ist ein Funktionsblockdiagramm zum Darstellen einer funktionalen Konfiguration des Bediensystems 11. Mit Bezug auf 9 enthält das Bediensystem 11, das als eine Steuervorrichtung (Steuereinheit) der Werkzeugmaschine 1 dient: eine Simulationsausführungseinheit 110, eine Steuerdatenerzeugungseinheit 120, eine Steuereinheit 130 für die additive Fertigung und eine Abtragungswegbestimmungseinheit 140.
Die Steuerdatenerzeugungseinheit 120 weist eine Werkzeugwegbestimmungseinheit 121, eine PulverZufuhrmengenbestimmungseinheit 122 und Laserleistungsbestimmungseinheit 123 auf.
Die Abtragungswegbestimmungseinheit 140 bestimmt einen Abtragungsweg basierend auf CAD-Daten. Die Abtragungswegbestimmungseinheit 140 kann den Abtragungsweg basierend auf den CAD-Daten automatisch bestimmen oder kann den Abtragungsweg basierend auf der Eingabe des Anwenders (manuelle Operation) bestimmen. Die Abtragungswegbestimmungseinheit 140 kann auf irgendeine Weise konfiguriert sein, solange der Abtragungsweg eindeutig bestimmt wird.
Die Simulationsausführungseinheit 110 führt eine Simulation des Abtragens basierend auf den CAD-Daten aus. Insbesondere führt die Simulationsausführungseinheit 110 eine Simulation des Abtragens entlang einem eingestellten Abtragungsweg aus.
Durch Ausführen der Simulation werden Informationen erhalten wie z. B. der Abtragungsweg, die als Späne entfernte Menge und die Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs. Die Simulationsausführungseinheit 110 sendet diese Simulationsergebnisse zu der Steuerdatenerzeugungseinheit 120.
Die Steuerdatenerzeugungseinheit 120 erzeugt Steuerdaten zur Fertigung unter Verwendung der additiven Fertigung eines Produkts, das eine Form (festgelegte Form) aufweist, die auf den CAD-Daten basiert. Die Werkzeugwegbestimmungseinheit 121 bestimmt den Werkzeugweg Pn, der der Weg der Düse (insbesondere der Einrichtung 30 zur additiven Fertigung) während der additiven Fertigung ist, durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs.
Die PulverZufuhrmengenbestimmungseinheit 122 bestimmt die Zufuhrmenge der Pulver. Insbesondere bestimmt die PulverZufuhrmengenbestimmungseinheit 122 die Zufuhrmenge der Pulver an jeder Position des Werkzeugwegs Pn. Es wird darauf hingewiesen, dass typischerweise die PulverZufuhrmengenbestimmungseinheit 122 die Zufuhrmenge an jeder Position auf dem Werkzeugweg Pn gleichmäßig einstellt.
Die Laserleistungsbestimmungseinheit 123 bestimmt die Leistungsabgabe des Lasers. Insbesondere bestimmt die Laserleistungsbestimmungseinheit 123 die Leistungsabgabe des Lasers an jeder Position auf dem Werkzeugweg Pn.
Die Steuerdatenerzeugungseinheit 120 sendet die erzeugten Steuerdaten zu der Steuereinheit 130 für die additive Fertigung. Basierend auf den Steuerdaten steuert die Steuereinheit 130 für die additive Fertigung den Betrieb der Einrichtung 30 zur additiven Fertigung, den Drehwinkel des Drehtisches 16, den Drehwinkel der Dreheinrichtung 18 und dergleichen. Dementsprechend wird das Halbfertigprodukt, das im Wesentlichen die gleiche Form wie die in den CAD-Daten angegebene aufweist, erzeugt. Außerdem wird das Halbfertigprodukt einer Oberflächenbearbeitung unter Verwendung eines Werkzeugs wie z. B. Polieren in dem Bearbeitungsbereich der Werkzeugmaschine 1 unterzogen und dadurch das Endprodukt (Produkt, das die gleiche Form wie die in den CAD-Daten aufweist) erhalten.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Reihe der Prozesse der Steuerdatenerzeugungseinheit 120 durch das Bediensystem 11 (insbesondere einen Prozessor) implementiert ist, das ein Programm ausführt, das in der CAM integriert ist. Insbesondere ist die Reihe der Prozesse der Steuerdatenerzeugungseinheit 120 durch den Prozessor implementiert, der ein Anwendungsprogramm ausführt, das konfiguriert ist, auf dem System der CAM ausführbar (funktionsfähig) zu sein. Andererseits sind die Abtragungswegbestimmungseinheit 140 und die Simulationsausführungseinheit 110 durch den Prozessor implementiert, der den Hauptteil der CAM (des Programms, das nicht die vorstehend beschriebene integrierte Anwendung ist) ausführt.
<N. Schlussfolgerung>
Die typischen Konfigurationen in dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten sind wie folgt.

(1) Das Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten ist ein Verfahren zum Erzeugen von Steuerdaten zum Fertigen eines Produkts, das eine festgelegte Form aufweist, unter Verwendung einer additiven Fertigungstechnologie. Die Steuerdaten enthalten einen Weg (Werkzeugweg Pn) einer Düse zum Auftragen eines Materials (Pulver). Das Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten enthält: Bestimmen eines Abtragungswegs zum Abtragen der festgelegten Form durch ein Werkzeug; und Bestimmen des Wegs der Düse durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs.

Gemäß dem Verfahren ist es möglich, den Weg der Düse zu bestimmen, durch den die durch den Anwender festgelegte Form (gewünschte Form) in der additiven Fertigungstechnologie erzeugt werden kann.

(2) Das Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten enthält ferner Bestimmen einer Bewegungsgeschwindigkeit der Düse, einer Auftragungsmenge des Materials und einer Leistungsabgabe des Lasers, die zu dem Material emittiert wird, wenn die additive Fertigungstechnologie entlang dem Weg der Düse implementiert wird. Dementsprechend wird nicht nur der Weg der Düse, sondern auch die Bewegungsgeschwindigkeit der Düse, die Auftragungsmenge des Materials und die Leistungsabgabe des Lasers, die zu dem Material emittiert wird, bestimmt.
(3) Bestimmen des Abtragungswegs enthält Berechnen einer Menge eines Rohmaterials, das von der festgelegten Form durch Abtragen entlang des Abtragungswegs entfernt wird. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Düse, die Auftragungsmenge des Materials und die Leistungsabgabe des Lasers werden basierend auf der Menge des entfernten Rohmaterials bestimmt.
(4) In dem Schritt zum Bestimmen des Wegs der Düse wird der Weg der Düse so bestimmt, dass eine Position, die durch den Laser bestrahlt wird, mit einer Position eines Rands des Werkzeugs in dem Abtragungsweg zusammenfällt.
(5) Der Abtragungsweg wird unter Verwendung von CAM bestimmt. Der Weg der Düse wird unter Verwendung eines Programms, da in dem CAM integriert ist, bestimmt.

<O. Modifikation>
In der vorstehenden Beschreibung ist die 5-Achsen-Maschine, die die Funktion der additiven Fertigungstechnologie (d. h. des 3D-Druckers) aufweist, als ein Beispiel der vorstehend beschriebenen Werkzeugmaschine beschrieben worden; Die Werkzeugmaschine ist jedoch nicht auf die 5-Achsen-Maschine beschränkt. Die Werkzeugmaschine kann irgendeine subtraktive Maschine (beispielsweise eine 4-Achsen-Maschine) sein, die die Funktion der additiven Fertigungstechnologie aufweist.
Außerdem ist in der vorstehenden Beschreibung der additive Fertigungsprozess (additives Formen), in dem die Pulver aufgetragen werden, als ein Beispiel beschrieben worden; die vorstehend beschriebenen verschiedenen Typen von Prozessen können auch auf einen additiven Fertigungsprozess angewandt werden, in dem ein Drahtmaterial ausgesendet wird.
<P. Anhang>

(1) In der CAM kann die Richtung des Werkzeugs mit der Richtung des Lasers zusammenfallen oder nicht. Da Späne im Fall des Abtragens herunterfallen, kann die Richtung des Werkzeugs in jedem Winkel sein; es ist jedoch zweckmäßiger, dass die Richtung des Werkzeugs mit der Gravitationsrichtung zusammenfällt, wenn Pulver gesprüht werden.
(2) Durch Bestimmen der entfernten Menge wird der Werkzeugweg Pn bestimmt. Die entfernte Menge wird durch die Zustellung (die radiale Richtung; die axiale Richtung) und die Vorschubgeschwindigkeit bestimmt. Die entfernte Menge wird durch den Anwender bestimmt. Wenn die entfernte Menge bestimmt wird, werden der Werkzeugweg Pn, die Drehgeschwindigkeit und dergleichen bestimmt.
(3) Wenn die Pulverflussrate bestimmt wird, wird die Laserleistung als eine Funktion der Energie bestimmt, mit der die Pulver geschmolzen werden können.
(4) Es ist sehr schwierig, Abtragen mit einer konstanten entfernten Menge auszuführen. Normalerweise fluktuiert die entfernte Menge, selbst wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkzeugs konstant gehalten wird. Es ist jedoch schwierig, die Zufuhrmenge der Pulver auf dieselbe Weise wie eine solche Fluktuation zu ändern. In Hinblick darauf werden die Geschwindigkeit der Düse und die Laserintensität geändert, wobei die Zufuhrmenge der Pulver konstant ist. Das dient dazu, mit der Änderung der entfernten Menge umzugehen.
(5) Eine Zuordnung zwischen der Geschwindigkeit der Düse und der Leistungsabgabe des Lasers wird abhängig von einer Situation unterschiedlich. Somit wird eine Steuerung, die ausgeführt werden soll, im Voraus programmiert. Insbesondere wird ein Programm vorbereitet, das Steuerung unter einer optimalen Bedingung ausführt, die von einer Situation abhängig ist, während es Daten hält, die eine im Voraus erhaltene Korrelation angeben. Es wird darauf hingewiesen, dass es einfacher ist, die Geschwindigkeit als die Leistungsabgabe des Lasers zu steuern.
(6) In der vorstehenden Ausführungsform ist das Aufbringen mit gesteuerter Energie als der additive Fertigungsprozess verwendet; andere additive Fertigungsprozesse sind jedoch auch anwendbar, wie z. B. eine Modellierung mit verflüssigter Auftragung.

Obwohl die vorliegende Erfindung genau beschrieben und dargestellt worden ist, ist deutlich zu verstehen, dass dieses nur durch Darstellung und Beispiel vorgenommen ist und nicht als Einschränkung verstanden werden soll, wobei der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die Bestimmungen der beigefügten Ansprüche interpretiert wird.
Merkmale, Komponenten und spezifische Einzelheiten der Strukturen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können ausgetauscht oder kombiniert sein, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die für die jeweilige Anwendung optimiert sind. Soweit diese Modifikationen für einen Fachmann offensichtlich sind, sollen sie implizit durch die vorstehende Beschreibung offenbart sein, ohne ausdrücklich jede mögliche Kombination zu spezifizieren, um der Kürze der vorliegenden Beschreibung willen.
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

JP 2015-199197 [0003, 0005]
JP 2003-005811 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM F2792-12a [0002]

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Steuerdaten zum Fertigen eines Produkts, das eine festgelegte Form aufweist, unter Verwendung einer additiven Fertigungstechnologie, wobei die Steuerdaten einen Weg (Pn) einer Düse zum Zuführen eines Materials enthalten, wobei das Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten umfasst: Bestimmen eines Abtragungswegs (Pt) zum Abtragen der festgelegten Form durch ein Werkzeug; und Bestimmen des Wegs (Pn) der Düse durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs (Pn).
Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten nach Anspruch 1, das ferner Bestimmen einer Bewegungsgeschwindigkeit der Düse und einer Zuführungsmenge des Materials und/oder einer Leistungsabgabe des Lasers, die zu dem Material emittiert wird, wenn die additive Fertigungstechnologie entlang dem Weg (Pn) der Düse implementiert wird, umfasst.
Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten nach Anspruch 2, wobei das Bestimmen des Abtragungswegs (Pt) das Berechnen einer Menge eines Rohmaterials, die von der festgelegten Form durch Abtragen entlang dem Abtragungsweg (Pt) entfernt wird, umfasst, und die Bewegungsgeschwindigkeit und die Zufuhrmenge und/oder die Leistungsabgabe des Lasers basierend auf der Menge des entfernten Rohmaterials bestimmt werden.
Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten nach Anspruch 2 oder 3, wobei bei dem Bestimmen des Wegs (Pn) der Düse der Weg (Pn) der Düse so bestimmt wird, dass eine Position, die mit dem Laser bestrahlt wird, mit der Position eines Rands des Werkzeugs in dem Abtragungsweg (Pt) zusammenfällt.
Verfahren zum Erzeugen der Steuerdaten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Abtragungsweg (Pt) unter Verwendung von CAM (computerunterstützter Fertigung) erzeugt wird und der Weg (Pn) der Düse wird unter Verwendung eines Programms, das in der CAM integriert ist, bestimmt wird.
Datenverarbeitungsvorrichtung (11) zum Erzeugen von Steuerdaten zum Fertigen eines Produkts, das eine festgelegte Form aufweist, unter Verwendung einer additiven Fertigungstechnologie, wobei die Steuerdaten einen Weg (Pn) einer Düse zum Zuführen eines Materials enthalten, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung (11) umfasst: eine erste Bestimmungseinheit (140), die konfiguriert ist, einen Abtragungsweg (Pt) zum Abtragen der festgelegten Form durch ein Werkzeug zu bestimmen; und eine zweite Bestimmungseinheit (121), die konfiguriert ist, den Weg (Pn) der Düse durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs (Pt) zu bestimmen.
Werkzeugmaschine (1), die eine additive Fertigungstechnologie implementieren kann, wobei die Werkzeugmaschine (1) umfasst: eine Steuereinheit (120), die konfiguriert ist, Steuerdaten zum Fertigen eines Produkts, das eine festgelegte Form aufweist, unter Verwendung der additiven Fertigungstechnologie zu erzeugen, wobei die Steuerdaten einen Weg (Pn) einer Düse zum Zuführen eines Materials enthalten, wobei die Steuereinheit (120) eine erste Bestimmungseinheit (140), die konfiguriert ist, einen Abtragungsweg (Pt) zum Abtragen der festgelegten Form durch ein Werkzeug zu bestimmen; und eine zweite Bestimmungseinheit (121), die konfiguriert ist, den Weg (Pn) der Düse durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs (Pt) zu bestimmen, enthält.
Programm zum Erzeugen von Steuerdaten zum Fertigen eines Produkts, das eine festgelegte Form aufweist, unter Verwendung einer additiven Fertigungstechnologie, wobei die Steuerdaten einen Weg (Pn) einer Düse zum Zuführen eines Materials enthalten, wobei das Programm bewirkt, dass ein Prozessor einer Datenverarbeitungsvorrichtung, die darin gespeichert das Programm aufweist, ausführt: Bestimmen eines Abtragungswegs (Pt) zum Abtragen der festgelegten Form durch ein Werkzeug; und Bestimmen des Wegs (Pn) der Düse durch zeitlich umgekehrtes Reproduzieren des Abtragungswegs (Pn).