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TECHNISCHES GEBIET
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Optimierungsverfahren und einen Optimierer für einen Prozessplan zur additiven Fertigung und ein additives Fertigungsverfahren.
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TECHNISCHES GEBIET
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In einem additiven Fertigungs- und Bearbeitungsprozess stellt eine Temperaturkontrolle an einem Werkstück einen der wichtigsten Teile dar. Falls ein Werkstück in einem Fertigungsprozess überhitzt wird, kann das Werkstück folglich Probleme, wie etwa Rissbildung, Verformung und eine ungleichmäßige Kristallstruktur, erfahren. In noch ernsteren Fällen kann eine Überhitzung des Werkstücks sogar dazu führen, dass ein gesamter Fertigungsprozess gezwungen werden muss anzuhalten.
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In dem Stand der Technik wird ein Prozessplan gewöhnlich nur auf der Basis eines geometrischen Parameters eines Werkstücks erstellt. Falls ein derartiger Prozessplan ausgeführt wird, kann er wahrscheinlich zu einem Phänomen führen, dass ein spezieller Abschnitt des Werkstücks in einem Fertigungsprozess überhitzt wird und es schwierig ist, eine Temperatur des Werkstücks effektiv zu steuern.
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Zusätzlich ist es im Stand der Technik, sobald ein Prozessplan vollständig erstellt ist, in einem additiven Fertigungsprozess unmöglich, den Prozessplan rasch zu verändern und anzupassen.
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Folglich ist es schwierig, eine Ausbeute der Fertigung zu verbessern.
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Es ist deshalb notwendig, ein neues Optimierungsverfahren und einen neuen Optimierer für einen Prozessplan zur additiven Fertigung und ein neues additives Fertigungsverfahren zu schaffen, um wenigstens eines der vorstehenden Probleme zu lösen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein Aspekt von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung eines Prozessplans zur Fertigung eines Werkstücks durch Hinzufügung eines Materials in mehreren Schichten. Das Verfahren enthält: Aufbauen eines Vorhersagemodells, wobei das Vorhersagemodell eingerichtet ist, um eine Temperaturveränderung wenigstens eines Abschnitts des Werkstücks vorherzusagen; Vorhersagen einer erwarteten Temperaturveränderung des Abschnitts des Werkstücks, der gefertigt werden soll, während eines gegebenen Zeitraums auf der Basis des Vorhersagemodells und des Prozessplans; und Anpassen des Prozessplans als Reaktion darauf, dass die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts eine vorgegebene Bedingung nicht erfüllt, um die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts zur Erfüllung der vorgegebenen Bedingung zu veranlassen.
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In dem zuvor erwähnten Verfahren kann das Werkstück mehrere Einheitsabschnitte aufweisen, die jeweils mehreren Voxeln einer digitalen Darstellung des Werkstücks entsprechen, wobei das Vorhersagen der erwarteten Temperaturveränderung des Abschnitts ferner ein Vorhersagen einer maximalen Temperatur und einer minimalen Temperatur für jeden Einheitsabschnitt, der gefertigt werden soll, während des gegebenen Zeitraums aufweisen kann und das Anpassen des Prozessplans ferner ein Anpassen des Prozessplans als Reaktion darauf, dass entweder die maximale Temperatur oder die minimale Temperatur außerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches liegt, aufweisen kann.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann das Aufbauen des Vorhersagemodells ferner ein Aufbauen des Vorhersagemodells auf der Basis einer Grenzbedingung, eines geometrischen Parameters des Werkstücks und einer Eigenschaft des Materials des Werkstücks aufweisen.
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Jedes beliebige vorstehend erwähnte Verfahren kann ferner aufweisen: Erfassen einer Echtzeit-Temperatur wenigstens eines Einheitsabschnitts des Werkstücks zu einem gegebenen Zeitpunkt, wobei das Werkstück mehrere Einheitsabschnitte aufweisen kann, die jeweils mehreren Voxeln einer digitalen Darstellung des Werkstücks entsprechen; Erhalten einer erwarteten Temperatur des wenigstens einen Einheitsabschnitts zu dem gegebenen Zeitpunkt basierend wenigstens zum Teil auf dem Vorhersagemodell und dem Prozessplan; und Kalibrieren des Vorhersagemodells auf der Basis der Echtzeit-Temperatur und der erwarteten Temperatur.
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Insbesondere kann das Kalibrieren des Vorhersagemodells ferner ein Kalibrieren wenigstens entweder einer Eigenschaft des Materials und/oder einer Grenzbedingung des Werkstücks aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens kann der Prozessplan einen Scanpfad eines Druckerkopfes, einen Scangeschwindigkeitsplan des Druckerkopfes, einen Energiezufuhrplan einer Energiequelle oder eine Kombination von diesen aufweisen.
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Insbesondere kann der Scangeschwindigkeitsplan eine zeitliche Scangeschwindigkeitsveränderung des Druckerkopfes, eine räumliche Scangeschwindigkeitsveränderung des Druckerkopfes oder eine Kombination von diesen aufweisen.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Energiezufuhrplan eine zeitliche Leistungsveränderung der Energiequelle, eine räumliche Leistungsveränderung der Energiequelle oder eine Kombination von diesen aufweisen.
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Ein weiterer Aspekt der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrifft einen Optimierer zur Optimierung eines Prozessplans zur Fertigung eines Werkstücks durch Hinzufügung eines Materials in mehreren Schichten. Der Optimierer enthält einen Modellierer, einen Prädiktor und einen Korrektor. Der Modellierer ist eingerichtet, um ein Vorhersagemodell aufzubauen, wobei das Vorhersagemodell eingerichtet ist, um eine Temperaturveränderung wenigstens eines Abschnitts des Werkstücks vorherzusagen. Der Prädiktor ist eingerichtet, um eine erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts des Werkstücks, der gefertigt werden soll, während eines gegebenen Zeitraums auf der Basis des Vorhersagemodells und des Prozessplans vorherzusagen. Der Korrektor ist eingerichtet, um den Prozessplan als Reaktion darauf anzupassen, dass die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts eine vorgegebene Bedingung nicht erfüllt, um die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts zur Erfüllung der vorgegebenen Bedingung zu veranlassen.
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Der vorstehend erwähnte Optimierer kann ferner aufweisen: einen Detektor, der eingerichtet ist, um eine Echtzeit-Temperatur wenigstens eines Einheitsabschnitts des Werkstücks zu einem gegebenen Zeitpunkt zu erfassen, wobei das Werkstück mehrere Einheitsabschnitte aufweisen kann, die jeweils mehreren Voxeln einer digitalen Darstellung des Werkstücks entsprechen; einen Rechner, der eingerichtet ist, um eine erwartete Temperatur des wenigstens einen Einheitsabschnitts zu dem gegebenen Zeitpunkt basierend wenigstens zum Teil auf dem Vorhersagemodell und dem Prozessplan zu erhalten; und einen Kalibrator, der eingerichtet ist, um das Vorhersagemodell auf der Basis der Echtzeit-Temperatur und der erwarteten Temperatur zu kalibrieren.
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Zusätzlich kann der Optimierer ferner einen Vergleicher aufweisen, der eingerichtet ist, um die Echtzeit-Temperatur mit der erwarteten Temperatur zu vergleichen, um eine Differenz zwischen diesen zu erhalten, wobei der Kalibrator eingerichtet sein kann, um das Vorhersagemodell auf der Basis der Differenz zu kalibrieren.
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Weiter zusätzlich oder als eine Alternative kann der Detektor an entweder einer Plattform zum Tragen des Werkstücks und/oder vertikalen Wänden, die das Werkstück umgeben, vorgesehen sein.
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In einigen Ausführungsformen kann der Detektor einen Kontaktsensor, einen berührungslosen Sensor oder eine Kombination von diesen aufweisen.
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Ein weiterer Aspekt von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren zur Fertigung eines Werkstücks. Das Verfahren enthält: Hinzufügen eines Materials in mehreren Schichten, um das Werkstück zu bilden. Ein Schritt des Hinzufügens jeder Schicht des Werkstücks während eines Zeitraums umfasst: Vorhersagen einer erwarteten Temperaturveränderung der Schicht, die gefertigt werden soll, während des Zeitraums basierend auf einem Prozessplan und einem Vorhersagemodell; falls die erwartete Temperaturveränderung der Schicht eine vorgegebene Bedingung nicht erfüllt, Anpassen des Prozessplans, um die erwartete Temperaturveränderung zur Erfüllung der vorgegebenen Bedingung zu veranlassen, und Fertigen der Schicht entsprechend dem angepassten Prozessplan; und falls die erwartete Temperaturveränderung der Schicht die vorgegebene Bedingung erfüllt, Fertigen der Schicht entsprechend dem Prozessplan.
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In dem zuvor erwähnten additiven Fertigungsverfahren kann das Werkstück mehrere Einheitsabschnitte aufweisen, die jeweils mehreren Voxeln einer digitalen Darstellung des Werkstücks entsprechen, wobei das Vorhersagen der erwarteten Temperaturveränderung der Schicht ferner ein Vorhersagen einer maximalen Temperatur und einer minimalen Temperatur für jeden Einheitsabschnitt in der Schicht während des gegebenen Zeitraums aufweisen kann und das Anpassen des Prozessplans ferner ein Anpassen des Prozessplans als Reaktion darauf, dass entweder die maximale Temperatur oder die minimale Temperatur außerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches liegt, aufweisen kann.
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Jedes beliebige vorstehend erwähnte Fertigungsverfahren kann ferner ein Aufbauen des Vorhersagemodells auf der Basis einer Grenzbedingung, eines geometrischen Parameters des Werkstücks und einer Eigenschaft des Materials des Werkstücks aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen kann jedes beliebige vorstehend erwähnte additive Fertigungsverfahren ferner aufweisen: Erfassen einer Echtzeit-Temperatur wenigstens eines Einheitsabschnitts des Werkstücks zu einem gegebenen Zeitpunkt, wobei das Werkstück mehrere Einheitsabschnitte aufweisen kann, die jeweils mehreren Voxeln einer digitalen Darstellung des Werkstücks entsprechen; Erhalten einer erwarteten Temperatur des wenigstens einen Einheitsabschnitts zu dem gegebenen Zeitpunkt basierend wenigstens zum Teil auf dem Vorhersagemodell und dem Prozessplan; und Kalibrieren des Vorhersagemodells auf der Basis der Echtzeit-Temperatur und der erwarteten Temperatur.
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Jedes beliebige vorstehend erwähnte additive Fertigungsverfahren kann ferner ein Erstellen des Prozessplans vor dem Hinzufügen des Materials aufweisen, wobei der Prozessplan einen Scanpfad eines Druckerkopfes, einen Scangeschwindigkeitsplan des Druckerkopfes, einen Energiezufuhrplan einer Energiequelle oder eine Kombination von diesen aufweist.
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Insbesondere kann der Scangeschwindigkeitsplan eine zeitliche Scangeschwindigkeitsveränderung des Druckerkopfes, eine räumliche Scangeschwindigkeitsveränderung des Druckerkopfes oder eine Kombination von diesen aufweisen.
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Zusätzlich oder als eine Alternative kann der Energiezufuhrplan eine zeitliche Leistungsveränderung der Energiequelle, eine räumliche Leistungsveränderung der Energiequelle oder eine Kombination von diesen aufweisen.
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Figurenliste
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen worden ist, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durch die Zeichnungen hinweg bezeichnen, worin zeigen:
- 1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Optimierung eines additiven Fertigungsprozessplans gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Optimierung eines additiven Fertigungsprozessplans gemäß einer weiteren speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 3 ein Flussdiagramm eines additiven Fertigungsverfahrens gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
- 4 eine schematische Darstellung eines Optimierers zur Optimierung eines additiven Fertigungsprozessplans gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die speziellen Implementierungen der vorliegenden Erfindung sind nachstehend im Einzelnen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, um Fachleuten auf dem Gebiet zu ermöglichen, den durch die vorliegende Erfindung beanspruchten Gegenstand genau zu verstehen. In der folgenden detaillierten Beschreibung dieser speziellen Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Offenbarung nicht jegliche der bekannten Funktionen oder Konfigurationen im Detail, um unnötige Details zu vermeiden, die die Offenbarung der vorliegenden Erfindung beeinträchtigen können.
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Sofern sie nicht anderweitig definiert sind, sind die technischen und wissenschaftlichen Ausdrücke, die in den Ansprüchen und der Beschreibung verwendet werden, so, wie sie gewöhnlich von Fachleuten auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Erfindung gehört, verstanden werden. „Erste“, „zweite“ und ähnliche Wörter, die in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet werden, bezeichnen keine Reihenfolge, Menge oder Wichtigkeit, sondern sind lediglich dazu bestimmt, zwischen verschiedenen Bestandteilen zu unterscheiden. Die Ausdrücke „eine einzelne“, „eine“ und ähnliche Wörter sollen nicht beschränkend gemeint sein, sondern bezeichnen vielmehr die Gegenwart wenigstens eines. „Aufweisen“, „bestehen aus“ und ähnliche Wörter bedeuten, dass die Elemente oder Gegenstände, die vor dem „aufweisen“ oder „bestehen aus“ erscheinen, die Elemente oder Gegenstände und ihre äquivalenten Elemente enthalten, die hinter dem „aufweisen“ oder „bestehen aus“ erscheinen, ohne irgendwelche weiteren Elemente oder Gegenstände auszuschließen. „Verbunden“, „gekoppelt“ und ähnliche Wörter sind nicht auf physikalische oder mechanische Verbindungen beschränkt, sondern können auch elektrische Verbindungen, entweder direkte oder indirekte, umfassen.
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Die Verfahren in den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren als Funktionsmodule veranschaulicht. Es sollte erwähnt werden, dass eine Folge von Modulen und eine Aufteilung von Aktionen in den Modulen, die in 1 bis 3 veranschaulicht sind, nicht auf die Ausführungsformen der Figuren beschränkt sind. Zum Beispiel können Module entsprechend unterschiedlichen Reihenfolgen ausgeführt werden, und eine Aktion in einem Modul kann eine Aktion in Kombination mit einem anderen Modul oder mehreren Modulen sein oder kann auf mehrere Module aufgeteilt sein.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Prozessplanoptimierungsverfahren, das vielfältig auf additive Fertigungsprozessprozeduren anwendbar und in der Lage ist, einen Prozessplan zur additiven Fertigung zu optimieren, um so die Qualität und Leistung eines endgefertigten Produktes zu verbessern.
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1 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zur Optimierung eines Prozessplan zur additiven Fertigung gemäß einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Prozessplan ist ein additiver Fertigungsprozessplan, und in dem Prozessplan wird ein zu fertigendes Werkstück durch Hinzufügen eines Materials in mehreren Schichten gefertigt oder gebildet. In einigen Ausführungsformen enthält ein nicht optimierter Prozessplan eine Leistung einer Energiequelle und einen Scanpfad eines Druckerkopfes, und er wird entsprechend einem geometrischen Parameter eines Werkstücks erstellt.
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Bezugnehmend auf 1 enthält das Verfahren 100 einen Modellierungsschritt 110, einen Vorhersageschritt 120, einen Bestimmungsschritt 130 und einen Anpassungsschritt 140.
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Zunächst wird, wie im Schritt 110 veranschaulicht, ein Vorhersagemodell aufgebaut, wobei das Vorhersagemodell eingerichtet sein kann, um eine Temperaturveränderung wenigstens eines Abschnitts des Werkstücks vorherzusagen. Die „Temperaturveränderung“, die hierin angegeben ist, enthält eine Veränderung einer Temperatur eines zu erfassenden Abschnitts des Werkstücks über einem Zeitraum. In einigen Ausführungsformen kann das Vorhersagemodell auf der Basis eines geometrischen Parameters des Werkstücks, einer Grenzbedingung und einer Eigenschaft des Materials des Werkstücks aufgebaut werden. Der hierin erwähnte „geometrische Parameter“ enthält eine Zielgröße, eine Gestalt oder dergleichen des zu fertigenden Werkstücks. Die „Grenzbedingung“ bezieht sich auf eine Summe von Auswirkungen auf eine Temperatur des Werkstücks, die durch Elemente oder Substanzen ausgeübt werden, die das Werkstück umgeben und in der Lage sind, Wärme mit dem Werkstück auszutauschen. Die „Eigenschaft des Materials“ umfasst eine chemische Eigenschaft des Materials, eine physikalische Eigenschaft des Materials oder eine Kombination von diesen, wobei die physikalische Eigenschaft eine Korngröße des Materials und dergleichen enthält.
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Im Schritt 120 wird eine erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts des Werkstücks, der während eines gegebenen Zeitraums gefertigt werden soll, auf der Basis des Vorhersagemodells und des Prozessplans vorhergesagt. In einigen Ausführungsformen kann der gegebene Zeitraum ungefähr 5 Sekunden bis 60 Sekunden betragen. Zum Beispiel beträgt der gegebene Zeitraum ungefähr 10 Sekunden. In einigen Ausführungsformen ist der zu fertigende Abschnitt des Werkstücks ein Abschnitt in einer speziellen Schicht, eine spezielle Schicht oder einige Schichten des Materials. Die erwartete Temperaturveränderung umfasst eine Temperaturverteilung des Abschnitts des Werkstücks in jedem Zeitpunkt innerhalb des gegebenen Zeitraums.
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Anschließend wird, wie im Schritt 130 veranschaulicht, die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts mit einer vorgegebenen Bedingung verglichen, um festzustellen, ob die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts die vorgegebene Bedingung erfüllt.
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Falls die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts die vorgegebene Bedingung nicht erfüllt, wird ein Schritt 140 durchgeführt, d.h. der Prozessplan wird angepasst, um die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts zu veranlassen, die vorgegebene Bedingung zu erfüllen. Der angepasste Prozessplan kann einen Scanpfad eines Druckerkopfes, einen Scangeschwindigkeitsplan des Druckerkopfes, einen Energiezufuhrplan einer Energiequelle oder eine Kombination von diesen enthalten. Der Scangeschwindigkeitsplan umfasst eine zeitliche Scangeschwindigkeitsveränderung des Druckerkopfes, eine räumliche Scangeschwindigkeitsveränderung des Druckerkopfes oder eine Kombination von diesen.
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In einigen Ausführungsformen enthält das Werkstück mehrere Einheitsabschnitte, die jeweils mehreren Voxeln einer digitalen Darstellung des Werkstücks entsprechen. Der Vorhersageschritt enthält ein Vorhersagen eines erwarteten Temperaturveränderungsbereiches für jeden Einheitsabschnitt, der während des gegebenen Zeitraums gefertigt werden soll; anschließend Vergleichen des erwarteten Temperaturveränderungsbereiches jedes Einheitsabschnitts mit einem vorgegebenen Temperaturbereich; und wenn der erwartete Temperaturveränderungsbereich nicht in den vorgegebenen Temperaturbereich fällt, Anpassen des Prozessplans, um den erwarteten Temperaturveränderungsbereich zu veranlassen, in den vorgegebenen Temperaturbereich zu fallen. Insbesondere enthält der Vorhersageschritt ein Vorhersagen einer maximalen Temperatur und einer minimalen Temperatur für jeden Einheitsabschnitt, der während des gegebenen Zeitraums gefertigt werden soll, und Anpassen des Prozessplans als Reaktion darauf, und Anpassen des Prozessplans als Reaktion darauf, dass entweder die maximale Temperatur oder die minimale Temperatur außerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches liegt. In einigen Ausführungsformen können die mehreren Einheitsabschnitte in dem Werkstück einem gleichen vorgegebenen Temperaturbereich entsprechen. In anderen Ausführungsformen können die mehreren Einheitsabschnitte in dem Werkstück jeweils unterschiedlichen vorgegebenen Temperaturbereichen entsprechen.
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Weil es unvermeidbar ist, dass ein Fehler in einem Vorhersagemodell vorhanden ist, das basierend auf einer Grenzbedingung, einem geometrischen Parameter des Werkstücks und einer Eigenschaft des Materials des Werkstücks aufgebaut wird, enthalten einige Ausführungsformen ferner einen Schritt des Kalibrierens des Vorhersagemodells, um die Genauigkeit des Vorhersagemodells zu verbessern. Bezugnehmend auf 2 enthält ein Verfahren 300 einen Modellierungsschritt 310, Kalibrierungsschritte 320 bis 340, einen Vorhersageschritt 350, einen Bestimmungsschritt 360 und einen Anpassungsschritt 370.
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Ähnlich dem Schritt 110 wird im Schritt 310 ein Vorhersagemodell auf der Basis eines geometrischen Parameters eines Werkstücks, einer Grenzbedingung und einer Eigenschaft des Materials eines Werkstücks aufgebaut.
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Im Schritt 320 wird eine Echtzeit-Temperatur eines gegebenen Einheitsabschnitts des Werkstücks zu einem gegebenen Zeitpunkt als eine Basis für eine Kalibrierung erfasst. Im Schritt 330 wird eine erwartete Temperatur des gegebenen Einheitsabschnitts zu dem gegebenen Zeitpunkt basierend wenigstens zum Teil auf dem Vorhersagemodell und dem Prozessplan, die nicht kalibriert sind, erhalten.
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Anschließend wird das Vorhersagemodell basierend auf der erfassten Echtzeit-Temperatur des Einheitsabschnitts und der berechneten erwarteten Temperatur des Einheitsabschnitts kalibriert, wie im Schritt 340 veranschaulicht. Insbesondere enthält der Kalibrierungsschritt ein Kalibrieren entweder einer Eigenschaft des Materials und/oder einer Grenzbedingung des Werkstücks.
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Die Schritte 350-370 sind jeweils den Schritten 120-140 ähnlich, die in 1 veranschaulicht sind. Details sind hier nicht erneut beschrieben.
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Es sollte beachtet werden, dass der Kalibrierungsschritt nicht vor dem Vorhersageschritt liegen muss und der Kalibrierungsschritt an einer beliebigen sonstigen geeigneten Stelle in dem Verfahren 300 angeordnet sein kann.
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Ein weiterer Aspekt dieser Anmeldung betrifft ein additives Fertigungsverfahren zum Herstellen eines Werkstücks, das enthält: Hinzufügen eines Materials in mehreren Schichten, um das Werkstück zu bilden, bis das Werkstück vollständig gefertigt ist, wobei der Schritt des Hinzufügens jeder Schicht des Werkstücks während eines Zeitraums enthält: Vorhersagen einer erwarteten Temperaturveränderung der Schicht, die während des Zeitraums gefertigt werden soll, basierend auf einem Prozessplan und einem Vorhersagemodell der Schicht; falls die erwartete Temperaturveränderung der Schicht eine vorgegebene Bedingung nicht erfüllt, Anpassen des Prozessplans, um die erwartete Temperaturveränderung zur Erfüllung der vorgegebenen Bedingung zu veranlassen, und anschließend Fertigen der Schicht entsprechend dem angepassten Prozessplan; und falls die erwartete Temperaturveränderung der Schicht die vorgegebene Bedingung erfüllt, Fertigen der Schicht entsprechend dem Prozessplan.
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Bezugnehmend auf 3 enthält ein additives Fertigungsverfahren 500 etwa einen Prozessplanerstellungsschritt 510, einen Vorhersagemodellaufbauschritt 520, Schritte 531-534 der Fertigung einer ersten Schicht und Schritte 541-544 der Fertigung einer zweiten Schicht.
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Insbesondere wird im Schritt 510 ein anfänglicher Prozessplan zur Fertigung des Werkstücks erstellt. Allgemein gesprochen, kann der Prozessplan basierend auf einem ausgelegten geometrischen Parameter des Werkstücks und/oder Material zur Fertigung des Werkstücks erstellt werden, und Parameter des Prozessplans können eine Leistung einer Energiequelle und einen Scanpfad eines Druckerkopfes umfassen. Im Schritt 520 wird das Vorhersagemodell basierend auf einem geometrischen Parameter des Werkstücks, einer Grenzbedingung und einer Eigenschaft des Materials des Werkstücks aufgebaut. Ähnlich den Schritten 110 und 310 kann das Vorhersagemodell eingerichtet sein, um eine Temperaturveränderung wenigstens eines Abschnitts des Werkstücks vorherzusagen. Insbesondere bezieht sich die Temperaturveränderung auf eine Veränderung der Temperaturverteilung des Abschnitts des Werkstücks im Laufe der Zeit, die vorhergesagt werden soll.
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Anschließend wird das Material Schicht für Schicht hinzugefügt, bis das Werkstück vollständig gefertigt ist.
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Insbesondere wird im Schritt 531 eine erwartete Temperaturveränderung einer ersten zu fertigenden Schicht auf der Basis des Prozessplans und des Vorhersagemodells, die in dem Schritt 510 und dem Schritt 520 erhalten werden, vorhergesagt. Die erwartete Temperaturveränderung der ersten Schicht umfasst eine Temperaturveränderung der ersten Schicht des Werkstücks im Laufe der Zeit innerhalb eines Zeitraums, wenn die erste Schicht gefertigt wird. Anschließend wird, wie im Schritt 532 veranschaulicht, die erwartete Temperaturveränderung der ersten Schicht mit einer vorgegebenen Bedingung verglichen, um zu bestimmen, ob die erwartete Temperaturveränderung der ersten Schicht die vorgegebene Bedingung erfüllt.
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Falls die erwartete Temperaturveränderung der ersten Schicht die vorgegebene Bedingung erfüllt, wird angezeigt, dass die erste Schicht, die entsprechend dem momentanen Prozessplan gefertigt wird, Anforderungen erfüllen kann. Folglich wird in diesem Fall die erste Schicht entsprechend dem anfänglichen Prozessplan unmittelbar hinzugefügt, wie im Schritt 533 veranschaulicht.
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Falls die erwartete Temperaturveränderung der ersten Schicht eine vorgegebene Bedingung nicht erfüllt, wird ein Schritt 534 durchgeführt, um den Prozessplan anzupassen, um die erwartete Temperaturveränderung der ersten Schicht zur Erfüllung der vorgegebenen Bedingung zu veranlassen. Anschließend wird der Schritt 531 erneut durchgeführt, um die erwartete Temperaturveränderung der ersten Schicht erneut auf der Basis des Vorhersagemodells und des angepassten Prozessplans vorherzusagen. Danach wird der Schritt 532 erneut durchgeführt, um erneut festzustellen, ob die erwartete Temperaturveränderung die vorgegebene Bedingung erfüllt, und falls die erwartete Temperaturveränderung weiterhin die vorgegebene Bedingung nicht erfüllt, wird der Schritt 534 erneut durchgeführt, um den Prozessplan erneut anzupassen. Die Schritte 531, 532 und 534 können wiederholt durchgeführt werden, bis die erwartete Temperaturveränderung der ersten Schicht die vorgegebene Bedingung erfüllt, und anschließend wird die erste Schicht entsprechend dem optimierten Prozessplan gefertigt, um sicherzustellen, dass die erste Schicht während des Fertigungsprozesses der ersten Schicht nicht überhitzt werden würde.
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Die Schritte 541-544 sind Schritte zum Vorhersagen, Bestimmen und Fertigen einer zweiten Schicht des Werkstücks, wobei die Schritte 541-544 jeweils den Schritten 531-534 ähnlich sind und Details nicht erneut beschrieben sind. Die zweite Schicht kann eine an die erste Schicht angrenzende Schicht oder eine Schicht sein, die unmittelbar über der ersten Schicht hinzugefügt wird, oder sie kann eine nicht an die erste Schicht angrenzende Schicht sein.
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Unter der Annahme, dass das Werkstück N Schichten enthält, wird das Werkstück durch Hinzufügen eines Materials in N Schichten gebildet. In ähnlicher Weise kann das Verfahren 500 ferner Schritte zur Fertigung einer dritten Schicht, Schritte zur Fertigung einer vierten Schicht, ..., und Schritte zur Fertigung einer N-ten Schicht aufweisen, wobei alle Schritte der Fertigungsschritte ähnlich den vorstehenden Schritten zur Fertigung der ersten oder zweiten Schicht sind. Bevor jede Schicht hinzugefügt wird, wird eine Temperaturveränderung der Schicht vorhergesagt, und anschließend wird der Prozessplan erforderlichenfalls angepasst. Angesichts des Vorstehenden kann gemäß der Offenbarung der vorliegenden Erfindung, im Unterschied zu einem bestehenden additiven Fertigungsverfahren, ein additiver Fertigungsprozessplan entsprechend dem Echtzeitstatus einer Prozessprozedur flexibel in Echtzeit angepasst und optimiert werden, so dass eine Temperaturverteilung des Werkstücks in einem Fertigungsprozess effektiv sein kann, wodurch ein Phänomen einer lokalen Überhitzung vermieden und dabei unterstützt wird, eine Ausbeute der Fertigung zu erhöhen und eine Qualität eines endgefertigten Produktes zu verbessern.
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Diese Anmeldung betrifft ferner einen Prozessplanoptimierer zur Optimierung eines additiven Fertigungsprozessplans.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Prozessplanoptimierers 700 zur additiven Fertigung gemäß einer speziellen Ausführungsform dieser Offenbarung. Bezugnehmend auf 4 enthält der Optimierer 700 einen Modellierer 710, einen Prädiktor 750, einen Optimierungsvergleicher 760 und einen Korrektor 770.
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Der Modellierer 710 ist eingerichtet, um ein Vorhersagemodell 810 aufzubauen, wobei das Vorhersagemodell 810 eingerichtet ist, um eine Temperaturveränderung wenigstens eines Abschnitts des Werkstücks vorherzusagen.
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Der Prädiktor 750 ist eingerichtet, um eine erwartete Temperaturveränderung 830 des Abschnitts des Werkstücks, der während eines gegebenen Zeitraums hergestellt werden soll, basierend auf dem Vorhersagemodell 810 und dem Prozessplan 870 vorherzusagen.
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Der Optimierungsvergleicher 760 ist eingerichtet, um die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts 830 mit einer vorgegebenen Bedingung 880 zu vergleichen, um festzustellen, ob die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts 830 die vorgegebene Bedingung 880 erfüllt.
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Der Korrektor 770 ist eingerichtet, um den Prozessplan als Reaktion darauf, dass die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts eine vorgegebene Bedingung nicht erfüllt, anzupassen um die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts zur Erfüllung der vorgegebenen Bedingung zu veranlassen. Insbesondere wird in einigen Ausführungsformen, wenn der Optimierungsvergleicher 760 feststellt, dass die erwartete Temperaturveränderung 830 die vorgegebene Bedingung 880 nicht erfüllt, ein Korrektursignal 840 zu dem Korrektor 770 gesandt, und nach dem Empfang des Korrektursignals 840 passt der Korrektor 770 den Prozessplan an.
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In einigen Ausführungsformen enthält der Optimierer 700 ferner eine Kalibrierungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um das Vorhersagemodell zu kalibrieren. Die Kalibrierungsvorrichtung enthält einen Rechner 720, einen Detektor 730 und einen Kalibrator 740. Der Rechner 720 ist eingerichtet, um eine erwartete Temperatur 850 des gegebenen Einheitsabschnitts zu dem gegebenen Zeitpunkt basierend wenigstens zum Teil auf dem Vorhersagemodell 810 und dem Prozessplan zu gewinnen, wobei der Einheitsabschnitt einem Voxel in einer digitalen Darstellung des Werkstücks entspricht. Der Detektor 730 ist eingerichtet, um eine Echtzeit-Temperatur 860 des gegebenen Einheitsabschnitts des Werkstücks zu einem gegebenen Zeitpunkt zu erfassen. In einigen Ausführungsformen ist der Detektor 730 an einer Plattform zum Tragen des Werkstücks und vertikalen Wänden, die das Werkstück umgeben, oder einer Kombination von diesen vorgesehen. Der Kalibrator 740 ist eingerichtet, um das Vorhersagemodell 810 auf der Basis der Echtzeit-Temperatur 860 und der erwarteten Temperatur 850 zu kalibrieren, um ein kalibriertes Vorhersagemodell 820 zu gewinnen. Anschließend sagt der Prädiktor 750 die erwartete Temperaturveränderung 830 des Abschnitts des Werkstücks, der während eines gegebenen Zeitraums gefertigt werden soll, auf der Basis des kalibrierten Vorhersagemodells 820 und des Prozessplans 870 vor.
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In einigen Ausführungsformen enthält die Kalibrierungsvorrichtung ferner einen (nicht veranschaulichten) Kalibrierungsvergleicher, der eingerichtet ist, um die Echtzeit-Temperatur 860 mit der erwarteten Temperatur 850 zu vergleichen, um eine Differenz zwischen diesen zu erhalten, und der Kalibrator 740 kalibriert das Vorhersagemodell 810 auf der Basis der Differenz.
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Während die vorliegende Erfindung im Einzelnen unter Bezugnahme auf deren spezielle Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird für Fachleute auf dem Gebiet verständlich, dass viele Modifikationen und Veränderungen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können. Es ist folglich zu verstehen, dass die beigefügten Ansprüche dazu bestimmt sind, all derartige Modifikationen und Veränderungen zu umfassen, sofern sie in dem wahren Rahmen und Umfang der Erfindung liegen.
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Es ist ein Prozessplanoptimierungsverfahren zur Fertigung eines Werkstücks durch Hinzufügen eines Materials in mehreren Schichten geschaffen. Das Verfahren enthält: Aufbau eines Vorhersagemodells, wobei das Vorhersagemodell eingerichtet ist, um eine Temperaturveränderung wenigstens eines Abschnitts des Werkstücks vorherzusagen; Vorhersagen einer erwarteten Temperaturveränderung des Abschnitts des Werkstücks, der während eines gegebenen Zeitraums gefertigt werden soll, basierend auf dem Vorhersagemodell und dem Prozessplan; und Anpassen des Prozessplans als Reaktion darauf, dass die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts eine vorgegebene Bedingung nicht erfüllt, um die erwartete Temperaturveränderung des Abschnitts zur Erfüllung der vorgegebenen Bedingung zu veranlassen.
