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Technisches Gebiet (Technical Field)
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Auf dem Gebiet der Fertigung von Bauteilen, insbesondere bei Einzelstücken und Kleinserien, werden zunehmend additive Fertigungsmethoden eingesetzt.
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Technischer Hintergrund (Background Art)
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Aus dem Stand der Technik sind additive Fertigungsprozesse auf Basis von Pulverbett-, Flüssigmaterial- oder Freiraumverfahren sowie sonstige Schichtbauverfahren bekannt, wie beispielsweise auf https://de.wikipedia.org/wiki/Generatives_Fertigungsverfahren (Stand 14. Juli 2017) gelistet.
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Im Stand der Technik besteht das Problem, dass bei additiver Fertigungsverfahren zum Teil analog zu Gießverfahren im Bauteil eingeschlossenen Fehlstellen entstehen können beziehungsweise Dichteunterschiede auftreten. Dies wird beispielsweise im Artikel „Process monitoring in laser additive manufacturing“ (9. Dezember 2014 / Dr. Corey Dunsky / http://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-29/issue-5/features/process-monitoring-in-laser-additive-manufacturing.html - Stand 14. Juli 2017) ausgeführt und Ansätze von Überwachungssystemen aufgezeigt. Durch eingeschlossene Fehlstellen, wird die Bauteilfestigkeit verringert und es kann zu Produktausfällen kommen.
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Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur additiven Fertigung bereitzustellen, welches sicher und effizient Bauteile erzeugt, die den geforderten Vorgaben entsprechen, sowie entsprechende additiv gefertigte Bauteile.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie Bauteilen gemäß den Ansprüchen 9 oder 10.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen, wobei die digitale Bauteilgeometrie in einer Steuereinheit hinterlegt wird, wobei das Bauteil schichtweise mittels einer additiven Produktionsvorrichtung aufgebaut wird, wobei das erzeugte Bauteil während der Erzeugung durch eine Überwachungseinheit auf Fehler überwacht wird, und wobei erkannte Fehler an die Steuereinheit übermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die Position der Fehler in der digitalen Bauteilgeometrie als Bauteilschwächung abspeichert, und dass die Steuereinheit Berechnungen durchführt, ob durch die Bauteilschwächung noch vorgegebene Bedingungen erfüllt werden. Für die additive Fertigung muss eine digitale Bauteilgeometrie vorliegen, um die additive Produktionseinrichtung zu steuern. Beim Fertigungsbeginn wird eine Kopie dieser digitalen Bauteilgeometrie in eine Steuereinheit eingelesen. Die Steuereinheit ist mit einer Überwachungseinheit verbunden, welche die additiven Schichten auf Fehler in der Struktur überwacht. Diese Fehler sind insbesondere Fehlstellen, bei denen innerhalb des Bauteils Material fehlt oder nicht verbunden ist oder Bereiche, bei denen die additiv erzeugte Schicht nicht der für das Bauteil definierten Dichte oder Porosität entspricht. Die Überwachungseinheit kann hierbei entweder kontinuierlich, beispielsweise dem additiven Auftrag folgend, oder in vorzugsweise regelmäßigen Abständen die aufgetragenen Schichten ganz oder in Abschnitten überwachen. Zumindest erkannte Fehler werden von der Überwachungseinheit an die Steuereinheit übermittelt und die Steuereinheit hinterlegt diese Fehler in der Kopie der digitalen Bauteilgeometrie. Anschließend führt die Steuereinheit Berechnungen, zum Beispiel eine Finite-Elemente-Methode (FEM), um zu ermitteln, ob das Bauteil mit der Bauteilschwächung durch den Fehler beziehungsweise die Fehler noch vorgegebene Bedingungen an das Bauteil erfüllt.
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Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass als Bedingung in der Steuereinheit an der digitalen Bauteilgeometrie ein vordefinierter Reserveraum für abweichende zusätzlich zulässige Außenkontur definiert ist, und dass durch die Berechnung der Steuereinheit geprüft wird, ob durch Nutzung des Reserveraums die Bauteilschwächung durch die Fehler ausgeglichen werden kann. Bei vielen Bauteilen besteht in der späteren Verwendung zumindest in Teilbereichen des Umfelds freier Bauraum, welcher zumindest teilweise auch für das Bauteil genutzt werden könnte. Vor der additiven Fertigung werden an der Außenkontor des Bauteils Reserveräume definiert, in welche das Bauteil erweitert werden kann, ohne die Funktion zu beeinträchtigen. Diese Reserveräume sind bevorzugt bereits im Datensatz mit der digitalen Bauteilgeometrie enthalten. Durch die Steuereinheit wird bei Fehlern berechnet, ob zusätzliches Material im Reserveraum die Bauteilschwächung durch den Fehler ausgleichen kann beziehungsweise wieviel zusätzliches Material in welchem Bereich des Reserveraums hierfür notwendig wäre. Der Vergleich des benötigten mit dem vordefinierten, zur Verfügung stehenden Reserveraums oder der bei vollständiger Nutzung des Reserveraums maximal ausgleichbaren Bauteilschwächung mit der durch den Fehler aufgetretenen Bauteilschwächung wird in der Steuereinheit in Verbindung mit der Kopie der digitalen Bauteilgeometrie zumindest temporär gespeichert.
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Verfahren gemäß weiteren erfindungsgemäßen Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass als Bedingung Mindest-Belastungsgrenzen definiert sind, und dass durch die Berechnung der Steuereinheit geprüft wird, ob durch die Bauteilschwächung noch die vorgegebene Mindest-Belastungsgrenze eingehalten wird. Abhängig von der späteren Verwendung des Bauteils sind, beispielsweise bei passgenauen Teilen oder gleichartigen Teilen in für unterschiedliche Anwendungen, eventuell kein Reserveraum möglich oder nicht erwünscht. Hierbei wird durch die Berechnung der Steuereinheit ermittelt, ob das additiv gefertigte Bauteil mit Bauteilschwächung noch die, bevorzugt mit dem Datensatz der digitalen Bauteilgeometrie verbundenen, vorgegebenen Belastungen oder Verformungen aushält beziehungsweise welche Belastungen oder Verformungen mit der Bauteilschwächung erreichbar sind und ob diese die vorgegebene Grenzwerte erfüllen. Es können auch mehrere Grenzwerte für unterschiedliche Verwendungszwecke, Qualitätsstufen oder Lebensdauerangaben vorgegeben werden, wodurch eine Kategorisierung erfolgen kann. Die Ergebnisse der Berechnung oder ggf. auch eine Kategorisierung werden zumindest temporär in Verbindung mit der Kopie der digitalen Bauteilgeometrie in der Steuereinheit gespeichert.
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Weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ein Signal zum Abbruch der Bauteilfertigung an die additive Produktionsvorrichtung übermittelt, wenn die Berechnung ergibt, dass der Reserveraum nicht für den Ausgleich der Fehler ausreicht oder die Mindest-Belastungsgrenze nicht erreicht wird. Die Steuereinheit ist auch mit der additiven Produktionsvorrichtung verbunden und kann deren Steuerung darstellen oder beeinflussen. Wird durch die Berechnungen der Steuereinheit festgestellt, dass durch die Bauteilschwächung die vorgegebenen Bedingungen nicht eingehalten werden können, wird die additive Fertigung des Bauteils abgebrochen. Hierdurch wird Produktionszeit sowie Materialkosten für Ausschussteile verringert und in diesem Zug auch die Menge an Ausschuss bzw. Schrott.
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Erfindungsgemäße Verfahren weiterer Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit abhängig von der Berechnung der additiven Produktionsvorrichtung geänderte Parameter, umfassend geänderte Einstellungen und/oder eine geänderte Bauteilgeometrie unter zumindest teilweiser Nutzung des Reserveraums, übermittelt und die additive Produktionsvorrichtung mit den geänderten Parametern die Fertigung des Bauteils vorsetzt. Die Steuereinheit ist auch mit der additiven Produktionsvorrichtung verbunden und kann deren Steuerung darstellen oder beeinflussen. Basierend auf den Ergebnissen der Berechnungen kann die Steuereinheit die Parameter der additiven Produktionsvorrichtung ändern, um zum einen weitere Fehler in der sich bildenden Schichten zu vermeiden, beispielsweise durch geänderte Geschwindigkeiten, Leistungen oder Schichtdicken, oder auch zum anderen die Bauteilgeometrie ändern, damit auch Material im Reserveraum vorgesehen wird.
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Bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass nur Reserveraum des Bauteils in Baurichtung der additiven Produktionsvorrichtung verwendet wird. Durch den schichtweisen Aufbau weist die additive Fertigung eine Baurichtung von der ersten in Richtung der sich bildenden Schichten auf. Für die geänderten Parameter betreffend die Bauteilgeometrie, also die Nutzung des Reserveraums, wird bevorzugt der im noch nicht gefertigten Bereich liegende Reserveraum verwendet, wodurch direkt die abweichende Geometire im Zuge der additiven Fertigung des Bauteils gefertigt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich sind Verfahren weiterer erfindungsgemäßer Ausführungsformen dadurch gekennzeichnet, dass nach der Fertigung des Bauteils durch die additive Produktionsvorrichtung in einem weiteren Verfahrensschritt entsprechend der Berechnung im Reserveraum weiteres Material durch additive Fertigungsmethoden aufgebracht wird. Aufgrund der in der Steuereinheit in Verbindung mit der Kopie der digitalen Bauteilgeometrie gespeicherten Daten betreffend des, im Reserveraum benötigten, Materials wird in einem weiteren Verfahrensschritt an die entsprechenden Stellen des Reserveraums eine entsprechende Aufbringung von zusätzlichem Material vorgenommen.
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Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil markiert oder die Dokumentation zum Bauteil angepasst wird, um von den vorgegebenen Bedingungen abweichenden Eigenschaften anzuzeigen. Um die Bauteilschwächungen oder eine Kategorisierung für den späteren Nutzer erkennbar zu machen, können auf dem Bauteil Markierungen oder Hinweise vorgesehen werden. Diese Markierungen können in einem folgenden Verfahrensschritt aufgrund der in der Steuereinheit gespeicherten Daten in einem folgenden separaten Verfahrensschritt oder im Laufe der additiven Fertigung in Art einer Prägung erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann aufgrund der in der Steuereinheit gespeicherten Daten in Art eines Produktblatts die Daten hinterlegt werden.
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Erfindungsgemäße Bauteil, welches mittels einer additiven Fertigung hergestellt wurde, sind dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen inneren Fehler aufweist und eine von einem Bauteil ohne Fehler abweichende Außenkontur aufweist.
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Weitere erfindungsgemäße Bauteil, welches mittels einer additiven Fertigung hergestellt wurde, sind dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens einen inneren Fehler aufweist und eine gegenüber einem Bauteil ohne Fehler abweichende maximal zulässige Belastungsgrenze aufweist.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleichartige Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine schematisches Beispiel einer Seitenansicht einer Bauteilgeometrie
- 2 eine schematische Seitenansicht des Bauteils analog zu 1 während der additiven Fertigung mit auftretendem Fehler
- 3 eine schematische Seitenansicht des fertigen Bauteils analog zu 1 und 2
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Invention)
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Hebels als Beispiel für ein zu fertigenden Bauteil (1). An den Konturen des Bauteils (1) ist zumindest ein Reserveraum (2) definiert, der zusätzlich in den Daten der digitalen Bauteilgeometrie hinterlegt ist. In diesem Reserveraum (2) kann zusätzliches Material (4) oder anders ausgedrückt eine abweichende Außenkontur (4) vorgesehen werden, ohne dass die Funktion des Bauteils (1) beeinträchtigt wird. Im dargestellten Beispiel ist der Reserveraum (2) symmetrisch beidseitig zwischen den Endstücken vorgesehen ist
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In 2 wird ein Zustand während der additiven Fertigung eines Bauteils (1) gemäß der Bauteilgeometrie in 1 dargestellt, bei dem ein Fehler (3) in der Bildung des Bauteils (1) aufgetreten ist. 2 zeigt nur das Bauteil (1), Es sind keine Teile der additiven Produktionsvorrichtung, der Steuereinheit oder Überwachungseinheit dargestellt. Wird von einer nicht dargestellten Überwachungseinheit der Fehler (3) erkannt, wird er an die Steuereinheit weitergegeben. Durch die Steuereinheit wird berechnet, ob das Bauteil (1) durch die Bauteilschwächung aufgrund des Fehlers (3) noch die vorgegebenen Bedingungen an die Festigkeit und/oder Belastungen und dergleichen erfüllt werden können. Werden diese nicht mehr erfüllt, wird berechnet, ob durch zusätzliches Material (4) im Reserveraum (2) diese Bauteilschwächung durch den Fehler (3) ausgeglichen werden kann. Alternativ oder zusätzlich können abweichende Bedingungen für eine Kategorisierung von Bauteilen (1) in verschiedene Güteklassen oder Belastungsgrenzen, zum Beispiel für unterschiedliche Einsatzzwecke oder Lebensdauer, definiert sein. Wird durch die Steuereinheit ermittelt, dass die Bauteilschwächung des Bauteils (1) aufgrund des Fehlers (3) nicht durch zusätzliches Material (4) im Reserveraum (2) ausgeglichen werden kann, also die vorgegebenen beziehungsweise keine der vorgegebenen Bedingungen erfüllt werden, wird die additive Fertigung des Bauteils (1) abgebrochen, um Fertigungszeit und die Menge an Ausschussgering zu halten. Wird durch die Steuereinheit ermittelt, dass die Bauteilschwächung des Bauteils (1) aufgrund des Fehlers (3) durch zusätzliches Material (4) im Reserveraum (2) ausgeglichen werden kann, wird die additive Fertigung mit entsprechend geänderten Parametern fortgesetzt. Die geänderten Parameter können hierbei eine abweichende Außenkontur (4) umfassen, um den Reserveraum (2) entsprechend zu nutzen oder auch abhängig vom additiven Fertigungsverfahren die Auftragsgeschwindigkeit, die Schichtdicke bzw. Auftragsmenge, Laserbreite, Temperaturen, Atmosphärengas und dergleichen.
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3 stellt ein fertiges Bauteil (1) gemäß der Bauteilgeometrie nach 1 dar, bei dem ein Fehler (3) gemäß 2 aufgetreten ist. Um die Bauteilschwächung durch den Fehler (3) auszugleichen, wurde hierbei im Reserveraum (2) zusätzliches Material (4) beziehungsweise eine abweichende Außenkontur (4) im Reserveraum (2) vorgesehen. Im dargestellten Beispiel ist das zusätzliche Material (4) beidseitig im Bereich des Fehlers (3) vorgesehen, wodurch der symmetrische Aufbau des Bauteils (1) weitgehend erhalten bleibt, was insbesondere bei bewegten Teilen vorteilhaft sein kann. In diesem Beispiel wird das zusätzliche Material (4) zumindest teilweise nach der additiven Fertigung des Bauteils (1) in einem weiteren Produktionsschritt nachträglich im Reserveraum (2) in den entsprechenden Bereichen aufgebracht. Alternativ könnte das zusätzliche Material (4) auch nur auf einer Seite, vorzugsweise der in Baurichtung des Bauteils (1) nach dem Fehler (3) gefertigten Bereich, vorgesehen werden, wodurch direkt eine Fertigstellung des Bauteils (1) ohne zusätzlichen Fertigungsschritt ermöglicht wird.
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Als additive Fertigungsprozesse sind alle bereits im Stand der Technik bekannten Verfahren möglich. Als Werkstoffe sind alle für eine additive Fertigung geeigneten Materialien möglich, wobei insbesondere Metalle, vor allem Stahl, Aluminium und Titan, und thermoplastische Kunststoffe von besonderem Interesse sind. Die Überwachungseinheit arbeitet bevorzugt auf Basis von optischen Sensoren bzw. Bildauswertung oder Ultraschallmessungen, wobei auch Infrarotsensoren oder abhängig vom Fertigungsprozess auch Sauerstoff- oder Gasmessgeräte sowie Bewegungssensorik verwendbar sind.
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Die verschiedenen Merkmale der Erfindung sind beliebig miteinander kombinierbar und nicht nur auf die beschriebenen oder dargestellten Beispiele von Ausführungsformen beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Reserveraum
- 3
- Fehler
- 4
- zusätzliches Material bzw. abweichende Außenkontur
