DE102018124569A1 - Control method for an additive manufacturing device - Google Patents

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Abstract

Um prozessinduzierte mechanischen Eigenschaften eines additiv gefertigten Bauteils (20) während der Fertigung beeinflussen zu können, wird ein Steuerungsverfahren vorgeschlagen, bei dem mittels einer Bauteilsensoreinrichtung (30), beispielsweise einer CT-Einrichtung, zerstörungsfrei Bauteilschichtdaten (32) einer Bauteilschicht (26) des zu fertigenden Bauteils (20) erfasst werden. Die erwarteten mechanischen Bauteileigenschaften (40) werden während der Fertigung aus den Bauteilschichtdaten (26) und aus Ersatzmodellen für Material (42) und Bauteil (44) in Echtzeit ermittelt. Aufgrund der Abweichung der erwarteten Bauteileigenschaften (40) von den spezifizierten Bauteileigenschaften (48) werden die Fertigungsprozessparameter so geändert, dass die Abweichung abnimmt. Die Verarbeitung in Echtzeit wird insbesondere durch vorbereitete mittels maschinellem Lernen trainierte Ersatzmodelle (42, 44) ermöglicht. Die Ersatzmodelle (42, 44) und die additive Fertigungsvorrichtung (10) basieren jeweils auf künstlichen neuronalen Netzwerken (50) und können während der Fertigung des Bauteils (20) weiter trainiert werden, um Defekte zu vermeiden, welche die mechanischen Eigenschaften des Bauteils (20) beeinträchtigen können.In order to be able to influence process-induced mechanical properties of an additively manufactured component (20) during production, a control method is proposed in which component layer data (32) of a component layer (26) of the component is non-destructively by means of a component sensor device (30), for example a CT device manufacturing component (20) are detected. The expected mechanical component properties (40) are determined in real time during production from the component layer data (26) and from replacement models for material (42) and component (44). Due to the deviation of the expected component properties (40) from the specified component properties (48), the manufacturing process parameters are changed so that the deviation decreases. Processing in real time is made possible in particular by prepared replacement models (42, 44) trained by machine learning. The replacement models (42, 44) and the additive manufacturing device (10) are each based on artificial neural networks (50) and can be trained further during the manufacture of the component (20) in order to avoid defects that affect the mechanical properties of the component (20 ) can affect.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren zum Steuern einer zum schichtweisen additiven Fertigen eines Bauteils ausgebildeten additiven Fertigungsvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Materialersatzmodellermittlungsverfahren und ein Bauteilersatzmodellermittlungsverfahren. Weiter betrifft die Erfindung eine additive Fertigungsvorrichtung sowie eine Steuervorrichtung hierfür.The invention relates to a control method for controlling an additive manufacturing device designed for layer-by-layer additive manufacturing of a component. The invention further relates to a material replacement model determination method and a component replacement model determination method. The invention further relates to an additive manufacturing device and a control device therefor.

Additive Fertigung, manchmal auch salopp als 3D-Druck bezeichnet, ist eine Möglichkeit zur Herstellung von Bauteilen quasi auf „Knopfdruck“. Zunächst hauptsächlich zur schnellen Erstellung von Prototypen (engl.: rapid prototyping) verwendet, hält die additive Fertigung zusehends Einzug bei der industriellen Serienfertigung. Ein Vorteil dabei ist die materialschonendere Arbeitsweise im Vergleich zu klassischen subtraktiven Fertigungsverfahren, wie Drehen, Fräsen, Schleifen, etc.Additive manufacturing, sometimes referred to casually as 3D printing, is one way of producing components at the push of a button. Initially mainly used for rapid prototyping, additive manufacturing is increasingly finding its way into industrial series production. One advantage of this is the more gentle way of working compared to classic subtractive manufacturing processes such as turning, milling, grinding, etc.

Aufgrund der spezifischen Eigenschaften additiver Fertigungsprozesse, können teilweise deutlich komplexere Bauteile einfacher hergestellt werden. Bisher werden die zu fertigenden Bauteile konstruiert, ausgedruckt und anschließend einer zerstörungsfreien Prüfung unterzogen. Dabei hat sich herausgestellt, dass die Bauteileigenschaften zweier identisch konstruierter Bauteile teilweise erheblich voneinander abweichen können, wenn diese auf unterschiedlichen Maschinen oder unter leicht unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgedruckt wurden.Due to the specific properties of additive manufacturing processes, sometimes significantly more complex components can be manufactured more easily. So far, the components to be manufactured have been designed, printed out and then subjected to non-destructive testing. It turned out that the component properties of two identically constructed components can sometimes differ significantly from one another if they were printed out on different machines or under slightly different environmental conditions.

Insbesondere im Bereich der Luftfahrt werden fertige Bauteile strengen Prüfungen unterzogen. Dies führt dazu, dass im Zweifel Bauteile als nicht zulässig eingestuft werden. Für additiv gefertigte Bauteile bedeutet das, dass die gesamte Maschinenlaufzeit und das verbrauchte Material verschwendet sein können.In the aviation sector in particular, finished components are subjected to stringent tests. As a result, components are classified as not permitted in case of doubt. For additively manufactured components, this means that the entire machine runtime and the material used can be wasted.

Zudem kann die Reduktion der gesamten mechanischen Eigenschaften des additiv hergestellten Bauteils aufgrund von Prozessungenauigkeiten bisher nicht während der Herstellung detailliert ermittelt werden. Damit ist es nur schwer möglich Fertigungsabweichungen bzw. -fehler genauer zu beurteilen. Folglich ergibt sich eine zweitaufwendige Iteration zwischen Design und Fertigung sowie zu einem finalen Bauteil, welches die Strukturanforderungen eventuell nicht erfüllt. Weiterhin ist es bisher nicht vorgesehen das Fertigungssystem auf die mechanischen Anforderungen an das Bauteil hinzusteuern.In addition, the reduction in the overall mechanical properties of the additively manufactured component due to process inaccuracies has so far not been able to be determined in detail during manufacture. This makes it difficult to assess manufacturing deviations or errors more precisely. As a result, there is a two-time iteration between design and manufacturing, as well as a final component that may not meet the structural requirements. Furthermore, it has not previously been provided to control the manufacturing system to meet the mechanical demands on the component.

Bisher ist auch weder eine Methodik bekannt zur Ermittlung der prozessinduzierten mechanischen Eigenschaften des Bauteils während der additiven Herstellung noch zur Steuerung des Fertigungssystems gegenüber geforderten Struktureigenschaften und wirksamen Prozessabweichungen.So far, neither a methodology is known for determining the process-induced mechanical properties of the component during additive manufacturing, nor for controlling the manufacturing system against the required structural properties and effective process deviations.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde additive Fertigungsprozesse zu verbessern.The invention has for its object to improve additive manufacturing processes.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is solved by the subject matter of the independent claims. Preferred developments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung schafft ein Steuerungsverfahren zum Steuern einer zum schichtweisen additiven Fertigen eines Bauteils ausgebildeten additiven Fertigungsvorrichtung, mit den Schritten:

  1. a) mittels einer Bauteilsensoreinrichtung: zerstörungsfreies Erfassen einer Bauteilschicht des zu fertigenden Bauteils zwecks Erhalt von Bauteilschichtdaten oder des Bauteils zwecks Erhalt von Bauteildaten, wobei die Bauteildaten und Bauteilschichtdaten jeweils indikativ für Bauteileigenschaften des Bauteils sind;
  2. b) mittels einer Erwartungsbauteileigenschaftenermittlungseinrichtung: Ermitteln von Erwartungsbauteileigenschaften aus den Bauteilschichtdaten/Bauteildaten, aus wenigstens einem Materialersatzmodell und aus wenigstens einem Bauteilersatzmodell;
  3. c) in Abhängigkeit von den Erwartungsbauteileigenschaften mittels einer Steuereinrichtung:
    • - Steuern der additiven Fertigungsvorrichtung, einen additiven Fertigungsprozess mit unveränderten Fertigungsprozessparametern fortzusetzen; oder
    • - Verändern der Fertigungsprozessparameter basierend auf den Erwartungsbauteileigenschaften und Vorgabebauteileigenschaften zwecks Annähern der Erwartungsbauteileigenschaften an die Vorgabebauteileigenschaften und Steuern der additiven Fertigungsvorrichtung, den Fertigungsprozess mit den veränderten Fertigungsprozessparametern fortzusetzen.
The invention provides a control method for controlling an additive manufacturing device designed for layer-by-layer additive manufacturing of a component, comprising the steps:
  1. a) by means of a component sensor device: non-destructive detection of a component layer of the component to be manufactured for the purpose of obtaining component layer data or the component for the purpose of obtaining component data, the component data and component layer data being indicative of component properties of the component;
  2. b) by means of an expected component property determination device: determining expected component properties from the component layer data / component data, from at least one material replacement model and from at least one component replacement model;
  3. c) depending on the expected component properties by means of a control device:
    • - Controlling the additive manufacturing device to continue an additive manufacturing process with unchanged manufacturing process parameters; or
    • - Changing the manufacturing process parameters based on the expected component properties and default component properties in order to approximate the expected component properties to the default component properties and controlling the additive manufacturing device to continue the manufacturing process with the changed manufacturing process parameters.

Um prozessinduzierte mechanischen Eigenschaften eines additiv gefertigten Bauteils während der Fertigung beeinflussen zu können, wird ein Steuerungsverfahren vorgeschlagen, bei dem mittels einer Bauteilsensoreinrichtung, beispielsweise einer CT-Einrichtung, zerstörungsfrei Bauteilschichtdaten einer Bauteilschicht des zu fertigenden Bauteils erfasst werden. Die erwarteten mechanischen Bauteileigenschaften werden während der Fertigung aus den Bauteilschichtdaten und aus Ersatzmodellen für Material und Bauteil vorzugsweise in Echtzeit ermittelt. Aufgrund der Abweichung der erwarteten Bauteileigenschaften von den spezifizierten Bauteileigenschaften werden die Fertigungsprozessparameter so geändert, dass die Abweichung abnimmt. Die Verarbeitung in Echtzeit wird insbesondere durch vorbereitete mittels maschinellem Lernen trainierte Ersatzmodelle ermöglicht. Die Ersatzmodelle und die additive Fertigungsvorrichtung basieren jeweils auf künstlichen neuronalen Netzwerken. Die künstlichen neuronalen Netzwerke können während der Fertigung des Bauteils weiter trainiert werden, um Defekte zu vermeiden, welche die mechanischen Eigenschaften des Bauteils bzw. das Bauteilverhalten beeinträchtigen können. Mittels des Steuerungsverfahrens kann der Fertigungsprozess derart angepasst werden, dass das zu fertigende bzw. gefertigte Bauteil die gewünschten vorgegebenen Eigenschaften, beispielsweise hinsichtlich Steifigkeit, Bruchfestigkeit, Schadenstoleranz, Bauteilermüdung usw., aufweist. Die erwarteten Bauteileigenschaften werden aus den Bauteildaten bzw. Bauteilschichtdaten und den Ersatzmodellen für Material und Bauteil ermittelt.In order to be able to influence process-induced mechanical properties of an additively manufactured component during production, a control method is proposed in which component layer data of a component layer of the component to be manufactured are recorded non-destructively by means of a component sensor device, for example a CT device. The expected mechanical component properties are determined during production from the component layer data and from replacement models for material and component, preferably in real time. Due to the deviation of the expected component properties from the specified component properties, the manufacturing process parameters are changed so that the deviation decreases. The Real-time processing is made possible in particular by prepared replacement models trained by machine learning. The replacement models and the additive manufacturing device are each based on artificial neural networks. The artificial neural networks can be trained further during the production of the component in order to avoid defects which can impair the mechanical properties of the component or the component behavior. The control process can be used to adapt the manufacturing process in such a way that the component to be manufactured or manufactured has the desired properties, for example with regard to rigidity, breaking strength, damage tolerance, component fatigue, etc. The expected component properties are determined from the component data or component layer data and the replacement models for material and component.

Es ist bevorzugt, dass die Bauteilsensoreinrichtung ausgewählt ist aus einer Gruppe die eine Bildgebungseinrichtung, eine Kamera, eine VIS-Kamera, eine IR-Kamera, eine X-Ray-Kamera, eine CT-Einrichtung, eine Ultraschallbildeinrichtung, eine thermische Bildgebungseinrichtung, eine Thermometereinrichtung, eine Wirbelstrommesseinrichtung und eine Vibrationsanalyseeinrichtung enthält. Unterschiedliche Sensoreinrichtungen erlauben es unterschiedliche Bauteil(schicht)fehler zu erfassen. Kameras für sichtbares Licht (VIS), Infrarot (IR) oder Röntgenstrahlung (X-Ray) ermöglichen insbesondere die Erfassung der Abmessungen etwaiger Materialfehlstellen, sogenannte Voids. Möglich ist auch eine Erfassung mittels Tomographietechniken oder Ultraschall. Auch Temperaturmessungen, Wirbelstrommessungen oder Vibrationsmessungen sind denkbar. Je nach Baumaterial und gewünschter Information kann die eine oder andere Methode bevorzugt sein.It is preferred that the component sensor device is selected from a group comprising an imaging device, a camera, a VIS camera, an IR camera, an X-ray camera, a CT device, an ultrasound imaging device, a thermal imaging device, a thermometer device , an eddy current measuring device and a vibration analysis device. Different sensor devices allow different component (layer) defects to be detected. Cameras for visible light (VIS), infrared (IR) or X-rays (X-Ray) in particular enable the measurement of the dimensions of any material defects, so-called voids. Acquisition by means of tomography techniques or ultrasound is also possible. Temperature measurements, eddy current measurements or vibration measurements are also conceivable. Depending on the building material and the desired information, one or the other method may be preferred.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt b) das Materialersatzmodell durch ein hierin beschriebenes Materialersatzmodellermittlungsverfahren ermittelt ist. Es ist bevorzugt, dass in Schritt b) das Bauteilersatzmodell durch ein hierin beschriebenes Bauteilersatzmodellermittlungsverfahren ermittelt ist. Mittels Ersatzmodellen ist eine deutlich zügigere Durchführung des Steuerungsverfahrens in Echtzeit möglich. Die speziellen hierin beschriebenen Verfahren zur Ermittlung der Ersatzmodelle haben sich als besonders vorteilhaft herausgestellt.It is preferred that in step b) the material replacement model is determined by a material replacement model determination method described here. It is preferred that in step b) the component replacement model is determined by a component replacement model determination method described here. Substitute models allow the control process to be carried out much more quickly in real time. The special methods described here for determining the replacement models have proven to be particularly advantageous.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt c) die zuletzt gefertigte Bauteilschicht mit den veränderten Fertigungsprozessparametern überarbeitet wird. Wird eine hinreichende Abweichung zwischen dem zu erstellenden Bauteil, bzw. dessen erwarteten Bauteileigenschaften ermittelt, kann so die letzte Bauteilschicht korrigiert werden.It is preferred that in step c) the last component layer produced is revised with the changed manufacturing process parameters. If a sufficient deviation between the component to be created or its expected component properties is determined, the last component layer can be corrected in this way.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt c) die veränderten Fertigungsprozessparameter durch ein künstliches neuronales Netzwerk ermittelt werden. Diese Methodik erlaubt eine kontinuierliche Anpassung an veränderte Daten und Parameter. Ferner ist auch eine schnellere Verarbeitung möglich als bei herkömmlichen Methoden der Ermittlung.It is preferred that in step c) the changed manufacturing process parameters are determined by an artificial neural network. This methodology allows continuous adaptation to changed data and parameters. Furthermore, faster processing is also possible than with conventional methods of determination.

Es ist bevorzugt, dass das künstliche neuronale Netzwerk mit während des Fertigungsprozesses erfassten Fertigungsprozessparametern und während des Fertigungsprozesses ermitteltem Bauteilverhalten trainiert ist. Das Steuerungsverfahren kann so immer besser an neue auch bisher unbekannte Bauteile angepasst werden.It is preferred that the artificial neural network is trained with manufacturing process parameters acquired during the manufacturing process and component behavior determined during the manufacturing process. The control process can thus be better and better adapted to new and previously unknown components.

Es ist bevorzugt, dass das Bauteilverhalten mittels eines bevorzugten Bauteilersatzmodellermittlungsverfahrens ermittelt wird.It is preferred that the component behavior is determined using a preferred component replacement model determination method.

Die Erfindung schafft ein Materialersatzmodellermittlungsverfahren zum Ermitteln eines Materialersatzmodells aus Materialparametern des zu modellierenden Materials und Materialdefekten, insbesondere Materialfehlstellen und/oder Materialrisse, zwecks Verwendung des Materialersatzmodells bei einem Bauteilersatzmodellermittlungsverfahren, mit den Schritten:

  1. a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Materialeinheitszellen mit unterschiedlichen Konfigurationen von Materialdefekten in der Materialeinheitszelle;
  2. b) Ermitteln von Materialersatzparametern für jede Materialeinheitszelle aus den Materialparametern und unterschiedlichen Lastfällen;
  3. c) Zuordnen jeder in Schritt a) bereitgestellten Materialeinheitszelle zu den in Schritt b) ermittelten Materialersatzparametern;
  4. d) Trainieren des Materialersatzmodells, insbesondere durch maschinelles Lernen, mit den Materialeinheitszellen und den zugehörigen Materialersatzparametern, so dass das Materialersatzmodell indikativ ist für das Materialverhalten des zu modellierenden Materials bei unterschiedlichen Materialdefektdichten und unterschiedlichen Materialdefektgrößen.
The invention provides a material replacement model determination method for determining a material replacement model from material parameters of the material to be modeled and material defects, in particular material defects and / or material cracks, for the purpose of using the material replacement model in a component replacement model determination method, with the steps:
  1. a) providing a plurality of material unit cells with different configurations of material defects in the material unit cell;
  2. b) determining material replacement parameters for each material unit cell from the material parameters and different load cases;
  3. c) assigning each material unit cell provided in step a) to the material replacement parameters determined in step b);
  4. d) Training the material replacement model, in particular by machine learning, with the material unit cells and the associated material replacement parameters, so that the material replacement model is indicative of the material behavior of the material to be modeled with different material defect densities and different material defect sizes.

Durch bilden eines Materialersatzmodells, kann das Materialverhalten schneller ermittelt werden im Vergleich zu einer Simulation. Mehrere bzw. eine Vielzahl von Materialersatzmodellen können trainiert werden, ohne dass eine Fertigung erforderlich ist. Die so ermittelten Materialersatzmodelle können dann bei der Steuerung einfach abgerufen werden und erlauben eine Verarbeitung in Echtzeit. Das Materialersatzmodell ist nicht auf eine bestimmte Struktur beschränkt sondern dient als allgemeines Modell für mittels des additiven Fertigungsverfahrens herstellbaren Materialien. Mit anderen Worten gibt das Materialersatzmodell an, welche Materialeigenschaften ein Material mit einer gewissen Materialdefektdichte und -größe aufweist. Materialdefekte sind insbesondere die Porosität und/oder Materialfehlstellen und/oder Materialrisse. Hierzu werden für beispielsweise würfelförmige Materialeinheitszellen, die unterschiedliche Konfigurationen von Materialdefekten aufweisen, unterschiedliche Lastfälle simuliert. Es können die Verformung und andere Änderungen an der Materialeinheitszelle ermittelt werden. Auch die Änderung der Materialrisse, beispielsweise deren Fortpflanzung, kann ermittelt werden. Aus diesen Änderungen werden sodann die Materialersatzparameter ermittelt. Somit kann ein Materialersatzmodell gebildet werden, das beispielsweise auf eine Eingabe eines Lastfalles unmittelbar das entsprechende Materialverhalten ausgibt.By forming a material replacement model, the material behavior can be determined faster compared to a simulation. Several or a large number of material replacement models can be trained without the need for production. The material replacement models determined in this way can then simply be called up in the control and allow processing in real time. The material replacement model is not limited to a specific structure but serves as a general model for using the additive Manufacturing process manufacturable materials. In other words, the material replacement model indicates which material properties a material has with a certain material defect density and size. Material defects are in particular the porosity and / or material defects and / or material cracks. For this purpose, different load cases are simulated for, for example, cube-shaped material unit cells that have different configurations of material defects. The deformation and other changes to the material unit cell can be determined. The change in the material cracks, for example their propagation, can also be determined. The material replacement parameters are then determined from these changes. A material replacement model can thus be formed which, for example, immediately outputs the corresponding material behavior upon input of a load case.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt a) das Bereitstellen durch computergenerierte Daten erfolgt. Damit können Materialersatzmodelle vortrainiert werden ohne dass eine Fertigung laufen muss.It is preferred that in step a) the provision is made by computer-generated data. This enables material replacement models to be pre-trained without having to run production.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt a) das Bereitstellen durch während eines additiven Fertigungsprozesses erfasste Bauteilschichtdaten erfolgt. Damit kann das Materialersatzmodell besser an tatsächliche Fertigungsprozesse bzw. Materialen angepasst werden.It is preferred that in step a) the provision is made by component layer data acquired during an additive manufacturing process. This allows the material replacement model to be better adapted to actual manufacturing processes or materials.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt b) jeder Materialersatzparameter ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Materialsteifigkeit, Materialstärke, Materialermüdung, Materialbruchdehnung, Materialelastizitätsmodul, Materialkompressionsmodul, Materialschubmodul enthält. Die Materialersatzparameter können auch als effektive Materialparameter bezeichnet werden. Die Materialersatzparameter können indikativ sein für das Materialverhalten des Modellmaterials.It is preferred that in step b) each material replacement parameter is selected from a group that contains material rigidity, material thickness, material fatigue, material elongation at break, material elasticity module, material compression module, material thrust module. The material replacement parameters can also be referred to as effective material parameters. The material replacement parameters can be indicative of the material behavior of the model material.

Die Erfindung schafft ein Bauteilersatzmodellermittlungsverfahren zum Ermitteln eines Bauteilersatzmodells aus wenigstens einem Materialersatzmodell und einem Bauteilmodell eines zu fertigenden Bauteils zwecks Verwendung des Bauteilersatzmodells bei einem Steuerungsverfahren zum Steuern einer zum schichtweisen additiven Fertigen eines Bauteils ausgebildeten additiven Fertigungsvorrichtung, mit den Schritten:

  1. a) Bereitstellen von Bauteildaten, die indikativ sind für Bauteilabweichungen von dem Bauteilmodell, und/oder Bauteilschichtdaten, die indikativ sind für Bauteilschichtabweichungen von einer Bauteilmodellschicht des Bauteilmodells;
  2. b) Ermitteln eines zu einem Bauteilbereich passenden Materialersatzmodells für jeden Bauteilbereich und Zuordnen des Materialersatzmodells zu diesem Bauteilbereich zwecks erhalt einer Bauteilersatzstruktur;
  3. c) Ermitteln einer Bauteilstrukturreaktion für unterschiedliche Lastfälle anhand der Bauteilersatzstruktur;
  4. d) Zuordnen der in Schritt a) bereitgestellten Bauteildaten zu jeder in Schritt c) ermittelten Bauteilstrukturreaktion;
  5. e) Trainieren des Bauteilersatzmodells, insbesondere durch maschinelles Lernen, mit den Bauteildaten und den zugehörigen Bauteilstrukturreaktionen, so dass das Bauteilersatzmodell indikativ ist für das Bauteilverhalten, insbesondere Bauteilfestigkeitskriterien/Bauteilversagenskriterien, wie beispielsweise die Schadenstoleranz und/oder Bauteilermüdung, des zu fertigenden Bauteils.
The invention provides a component replacement model determination method for determining a component replacement model from at least one material replacement model and a component model of a component to be manufactured for the purpose of using the component replacement model in a control method for controlling an additive manufacturing device designed for layer-by-layer additive manufacturing of a component, with the steps:
  1. a) providing component data which are indicative of component deviations from the component model and / or component layer data which are indicative of component layer deviations from a component model layer of the component model;
  2. b) determining a material replacement model suitable for a component area for each component area and assigning the material replacement model to this component area in order to obtain a component replacement structure;
  3. c) determining a component structure reaction for different load cases on the basis of the component replacement structure;
  4. d) assigning the component data provided in step a) to each component structure reaction determined in step c);
  5. e) Training the component replacement model, in particular by machine learning, with the component data and the associated component structure reactions, so that the component replacement model is indicative of the component behavior, in particular component strength criteria / component failure criteria, such as the damage tolerance and / or component fatigue, of the component to be manufactured.

Durch bilden eines Bauteilersatzmodells, kann das Bauteilverhalten schneller ermittelt werden im Vergleich zu einer Simulation. Bauteilersatzmodelle können trainiert werden, ohne dass eine Fertigung erforderlich ist. Die so ermittelten Bauteilersatzmodelle können dann bei der Steuerung einfach abgerufen werden und erlauben eine Verarbeitung in Echtzeit. Die Bauteildaten enthalten Angaben darüber, wo in dem Bauteil Defekte vorhanden sind im Vergleich zu dem vorgegebenen Bauteil. Das gleiche gilt für die Bauteilschichten. Aus den Bauteildaten können daher die Materialdefekte ermittelt werden. Bestimmten Bauteilbereichen, die im Wesentlichen ähnliche Materialdefekte aufweisen, kann ein den Materialdefekten entsprechendes Materialersatzmodell zugeordnet werden. Mit anderen Worten nimmt das Materialersatzmodell in diesem Bauteilbereich den Platz der tatsächlichen Materialdefekte ein. Somit kann eine Bauteilersatzstruktur gebildet werden, die im Wesentlichen Bauteilbereiche unterschiedlicher Materialersatzparameter umfasst. Auf die Bauteilersatzstruktur werden unterschiedliche Lastfälle angewandt, wobei direkt aus der Bauteilersatzstruktur und den Lastfällen die entsprechende mechanische Bauteilstrukturreaktion ermittelt werden kann. Somit kann ein Bauteilersatzmodell gebildet werden, das beispielsweise auf eine Eingabe eines Lastfalles unmittelbar das entsprechende Bauteilverhalten, insbesondere Bauteilfestigkeitskriterien/Bauteilversagenskriterien, wie beispielsweise die Schadenstoleranz und/oder Bauteilermüdung, ausgibt.By forming a component replacement model, the component behavior can be determined faster compared to a simulation. Component replacement models can be trained without the need for manufacturing. The component replacement models determined in this way can then simply be called up in the control and allow processing in real time. The component data contains information about where defects exist in the component compared to the specified component. The same applies to the component layers. The material defects can therefore be determined from the component data. Certain component areas that have substantially similar material defects can be assigned a material replacement model that corresponds to the material defects. In other words, the material replacement model takes the place of the actual material defects in this component area. A component replacement structure can thus be formed, which essentially comprises component regions of different material replacement parameters. Different load cases are applied to the component replacement structure, and the corresponding mechanical component structure reaction can be determined directly from the component replacement structure and the load cases. A component replacement model can thus be formed which, for example, immediately upon input of a load case, outputs the corresponding component behavior, in particular component strength criteria / component failure criteria, such as the damage tolerance and / or component fatigue.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt a) das Bereitstellen durch computergenerierte Daten erfolgt. Damit können Bauteilersatzmodelle vortrainiert werden ohne dass eine Fertigung laufen muss.It is preferred that in step a) the provision is made by computer-generated data. This enables component replacement models to be pre-trained without the need for production to run.

Es ist bevorzugt, dass in Schritt a) das Bereitstellen durch während eines additiven Fertigungsprozesses erfasste Bauteilschichtdaten oder Bauteildaten erfolgt. Damit kann das Bauteilersatzmodell besser an tatsächliche Fertigungsprozesse bzw. Materialen angepasst werden.It is preferred that in step a) the provision is made by component layer data or component data acquired during an additive manufacturing process. This allows the component replacement model be better adapted to actual manufacturing processes or materials.

Die Erfindung schafft eine Steuervorrichtung zum Steuern einer zum schichtweisen additiven Fertigen eines Bauteils ausgebildeten additiven Fertigungsvorrichtung, wobei die Steuervorrichtung zur Durchführung eines der hierin beschriebenen bevorzugten Verfahren ausgebildet ist, wobei die Steuervorrichtung eine an der additiven Fertigungsvorrichtung anbringbare Bauteilsensoreinrichtung, die zum zerstörungsfreien Erfassen einer Bauteilschicht des zu fertigenden Bauteils zwecks Erhalt von Bauteilschichtdaten oder des Bauteils, die indikativ für Bauteileigenschaften des Bauteils sind, ausgebildet ist, eine Erwartungsbauteileigenschaftenermittlungseinrichtung, die zum Ermitteln von Erwartungsbauteileigenschaften aus den Bauteilschichtdaten, aus einem Materialersatzmodell und aus einem Bauteilersatzmodell ausgebildet ist und eine an die additive Fertigungseinrichtung anschließbare Steuereinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Erwartungsbauteileigenschaften die additive Fertigungseinrichtung derart zu Steuern, dass die additive Fertigungsvorrichtung einen additiven Fertigungsprozess mit unveränderten Fertigungsprozessparametern fortsetzt oder dass die additive Fertigungsvorrichtung die Fertigungsprozessparameter basierend auf den Erwartungsbauteileigenschaften und Vorgabebauteileigenschaften verändert, um die Erwartungsbauteileigenschaften an die Vorgabebauteileigenschaften anzunähern, und die additive Fertigungsvorrichtung, den Fertigungsprozess mit den veränderten Fertigungsprozessparametern fortsetzt.The invention provides a control device for controlling an additive manufacturing device designed for layer-by-layer additive manufacturing of a component, the control device being designed for carrying out one of the preferred methods described herein, the control device comprising a component sensor device which can be attached to the additive manufacturing device and which is used for the non-destructive detection of a component layer of the component to be manufactured for the purpose of obtaining component layer data or the component that is indicative of component properties of the component, an expected component property determination device that is designed to determine expected component properties from the component layer data, from a material replacement model and from a component replacement model, and a device that can be connected to the additive manufacturing device Includes control device, which is designed, depending on the expected component properties, the ad Control the additive manufacturing device such that the additive manufacturing device continues an additive manufacturing process with unchanged manufacturing process parameters or that the additive manufacturing device changes the manufacturing process parameters based on the expected component properties and default component properties to approximate the expected component properties to the default component properties, and the additive manufacturing device, the manufacturing process with the changed Manufacturing process parameters continues.

Es ist bevorzugt, dass die Bauteilsensoreinrichtung ausgewählt ist aus einer Gruppe die eine Bildgebungseinrichtung, eine Kamera, eine VIS-Kamera, eine IR-Kamera, eine X-Ray-Kamera, eine CT-Einrichtung, eine Ultraschallbildeinrichtung, eine thermische Bildgebungseinrichtung, eine Thermometereinrichtung, eine Wirbelstrommesseinrichtung und eine Vibrationsanalyseeinrichtung enthält.It is preferred that the component sensor device is selected from a group comprising an imaging device, a camera, a VIS camera, an IR camera, an X-ray camera, a CT device, an ultrasound imaging device, a thermal imaging device, a thermometer device , an eddy current measuring device and a vibration analysis device.

Die Erfindung schafft eine additive Fertigungsvorrichtung, die zum schichtweisen additiven Fertigen eines Bauteils ausgebildet ist und die ausgebildet ist, ein hierin beschriebenes bevorzugtes Verfahren durchzuführen, und/oder die eine bevorzugte Steuervorrichtung umfasst.The invention provides an additive manufacturing device which is designed for layer-by-layer additive manufacturing of a component and which is designed to carry out a preferred method described herein and / or which comprises a preferred control device.

Es sind unterschiedliche zerstörungsfreie Untersuchtungsmethoden (NDI, engl.: non-destructive investigation) entwickelt worden, um additiv gefertigte Bauteile zu untersuchen. Grundsätzlich bekannt sind auch Machine-Learning- bzw. Approximationsverfahren für wissensbasierte Systeme. Die hierin vorgestellten Ideen beurteilen die NDI-basierten additiven Fertigungsabweichungen bzgl. Der mechanischen Eigenschaften des Bauteils und vergleichen diese mit den Anforderungen an das fertige Bauteil. Dies ermöglicht eine schnelle, wissensbasierte Beurteilung der Auswirkungen von Defekten auf die Bauteilqualität. Dadurch kann auch die Robustheit des Fertigungsprozesses gesteigert werden.Different non-destructive investigation (NDI) methods have been developed to examine additively manufactured components. Machine learning and approximation methods for knowledge-based systems are also known in principle. The ideas presented here assess the NDI-based additive manufacturing deviations with regard to the mechanical properties of the component and compare them with the requirements for the finished component. This enables a quick, knowledge-based assessment of the effects of defects on component quality. This can also increase the robustness of the manufacturing process.

Es sollte beachtet werden, dass die Erfindung beispielhaft an einer Vorrichtung zum selektiven Lasersintern erläutert wird, aber auch andere additive Fertigungsvorrichtungen, insbesondere FDM-Printer und selektive Laserschmelzdrucker, für die Anwendung der Erfindung in Frage kommen.It should be noted that the invention is explained by way of example using a device for selective laser sintering, but other additive manufacturing devices, in particular FDM printers and selective laser fusion printers, are also suitable for the application of the invention.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer additiven Fertigungsvorrichtung;
  • 2 ein Ausführungsbeispiel eines Steuerungsverfahrens;
  • 3 ein Ausführungsbeispiel eines Materialersatzmodellermittlungsverfahrens; und
  • 4 ein Ausführungsbeispiel eines Bauteilersatzmodellermittlungsverfahrens.
Exemplary embodiments are explained in more detail below with the aid of the schematic drawings. It shows:
  • 1 an embodiment of an additive manufacturing device;
  • 2nd an embodiment of a control method;
  • 3rd an embodiment of a material replacement model determination method; and
  • 4th an embodiment of a component replacement model determination method.

Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen, die eine additive Fertigungsvorrichtung 10 zeigt. Die additive Fertigungsvorrichtung 10 ist beispielsweise eine selektive Lasersintervorrichtung 12. Die additive Fertigungsvorrichtung 10 umfasst eine Metallpulverbetteinrichtung 14, eine Lasersintereinrichtung 16 und eine Metallpulverschichtungseinrichtung 18. In der Metallpulverbetteinrichtung 14 wird ein Bauteil 20 gesintert. Die Lasersintereinrichtung 16 ist entsprechend bewegbar gelagert und sendet einen Laserstrahl 22 aus, der Metallpulver 24 erwärmt und somit sintert. Nachdem eine Bauteilschicht 26 fertiggesintert wurde, wird von der Metallpulverschichteinrichtung 18 eine neue Lage Metallpulver 24 aufgebracht.It will start on 1 Reference which is an additive manufacturing device 10th shows. The additive manufacturing device 10th is, for example, a selective laser sintering device 12th . The additive manufacturing device 10th comprises a metal powder bed device 14 , a laser sintering device 16 and a metal powder coater 18th . In the metal powder bed facility 14 becomes a component 20th sintered. The laser sintering device 16 is movably mounted and sends a laser beam 22 out, the metal powder 24th warmed and thus sintered. After a component layer 26 has been finished sintered by the metal powder coating device 18th a new layer of metal powder 24th upset.

Ferner umfasst die additive Fertigungsvorrichtung 10 eine Steuervorrichtung 28, welche den Fertigungsprozess steuert. Die Steuervorrichtung umfasst eine Bauteilsensoreinrichtung 30. Die Bauteilsensoreinrichtung 30 kann zumindest die oberste der Bauteilschichten 26 erfassen, um Bauteilschichtdaten 32 zu erhalten. Die Bauteilsensoreinrichtung 30 kann beispielsweise eine Kamera 34, insbesondere für Röntgenstrahlung, umfassen. Die Bauteilsensoreinrichtung 30 kann auch andere Sensoreinrichtungen aufweisen.The additive manufacturing device further comprises 10th a control device 28 which controls the manufacturing process. The control device comprises a component sensor device 30th . The component sensor device 30th can at least the top of the component layers 26 capture to component layer data 32 to obtain. The component sensor device 30th can for example a camera 34 , especially for X-rays. The component sensor device 30th can also have other sensor devices.

Die Steuervorrichtung 28 umfasst ferner eine Erwartungsbauteileigenschaftenermittlungseinrichtung 38, die ausgebildet ist, aus den Bauteilschichtdaten 32 Erwartungsbauteileigenschaften 40 zu ermitteln, die indikativ sind für die erwarteten Bauteileigenschaften. Die Erwartungsbauteileigenschaftenermittlungseinrichtung 38 greift auf vortrainierte Materialersatzmodelle 42 und Bauteilersatzmodelle 44 zurück.The control device 28 further comprises an expected component property determination device 38 , which is formed from the component layer data 32 Expected component properties 40 to determine which are indicative of the expected Component properties. The expected component property determination device 38 accesses pre-trained material replacement models 42 and component replacement models 44 back.

Die Steuervorrichtung 36 umfasst ferner eine Steuereinrichtung 46, die ausgebildet ist, den Fertigungsprozess zu steuern bzw. die Fertigungsprozessparameter in Abhängigkeit von den ermittelten Erwartungsbauteileigenschaften 40, genauer gesagt der Abweichung der Erwartungsbauteileigenschaften 40 von Vorgabebauteileigenschaften 48, zu ändern, um die Abweichung zu verringern. Die Steuereinrichtung 46 kann ein entsprechend trainiertes künstliches neuronales Netzwerk 50 aufweisen, das die Steuerung vornimmt. Das künstliche neuronale Netzwerk 50 kann bereits im Vorfeld mit Fertigungsprozessparametern und entsprechendem Bauteilverhalten trainiert sein.The control device 36 further comprises a control device 46 , which is designed to control the manufacturing process or the manufacturing process parameters depending on the determined expected component properties 40 , more precisely the deviation of the expected component properties 40 of default component properties 48 to change to reduce the deviation. The control device 46 can be an appropriately trained artificial neural network 50 have the control. The artificial neural network 50 can be trained in advance with manufacturing process parameters and corresponding component behavior.

Nachfolgend wird auf 2 Bezug genommen die ein Beispiel eines Steuerungsverfahrens für die additive Fertigungsvorrichtung 10 zeigt. In einem Fertigungsschritt 100 wird ein Bauteil 20 durch sintern aufeinander aufliegender Bauteilschichten 26 erzeugt.Below is on 2nd Reference is made to an example of a control method for the additive manufacturing device 10th shows. In one production step 100 becomes a component 20th by sintering component layers lying on top of each other 26 generated.

In einem Erfassungsschritt 102 erfasst die Bauteilsensoreinrichtung 30 Bauteilschichtdaten 32, die insbesondere Angaben über die Porosität, Fehlstellendichte und/oder -größe und die Abmessungen der Bauteilschicht 26 enthalten. Ferner werden die Fertigungsprozessparameter in dem Erfassungsschritt 102 erfasst.In one acquisition step 102 detects the component sensor device 30th Component layer data 32 , which in particular information about the porosity, defect density and / or size and the dimensions of the component layer 26 contain. Furthermore, the manufacturing process parameters in the acquisition step 102 detected.

In einem Erwartungsbauteileigenschaftenermittlungsschritt 104 werden aus den soeben erfassten Bauteilschichtdaten 26 und allen bisher während der Fertigung erfassten Bauteilschichtdaten 26 sowie Materialersatzmodellen 42 und Bauteilersatzmodellen 44 die Erwartungsbauteileigenschaften 40 ermittelt. Die Erwartungsbauteileigenschaften 40 geben die erwarteten Bauteileigenschaften an, die das Bauteil aufgrund der erfassten Bauteilschichtdaten 26 voraussichtlich aufweist.In an expected component property determination step 104 become from the component layer data just acquired 26 and all component layer data previously recorded during production 26 as well as material replacement models 42 and component replacement models 44 the expected component properties 40 determined. The expected component properties 40 indicate the expected component properties, which the component based on the recorded component layer data 26 expected to have.

In einem Validierungsschritt 106 werden die Erwartungsbauteileigenschaften 40 mit den Vorgabebauteileigenschaften 48 verglichen. Wenn die Abweichung der Erwartungsbauteileigenschaften 40 von den Vorgabebauteileigenschaften 48 innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt, wird in einem Fortsetzungsschritt 108 fortgefahren (Zweig Y); andernfalls (Zweig N) wird in einem Unterbrechungsschritt 110 fortgefahren.In a validation step 106 become the expected component properties 40 with the default component properties 48 compared. If the deviation of the expected component properties 40 from the default component properties 48 is within a specified tolerance range in a continuation step 108 continued (branch Y ); otherwise (branch N ) is in an interrupt step 110 continued.

In dem Fortsetzungsschritt 108 werden die Fertigungsprozessparameter für die nächste Schicht eingestellt und ansonsten unverändert gelassen. Anschließend wird in einem Steuerschritt 112 fortgesetzt.In the continuation step 108 the manufacturing process parameters for the next shift are set and otherwise left unchanged. Then in a control step 112 continued.

In dem Unterbrechungsschritt 110 wird der Fertigungsprozess unterbrochen, wobei in einem daran anschließenden Änderungsschritt 114 die Fertigungsprozessparameter derart geändert werden, dass die Abweichung der Erwartungsbauteileigenschaften 40 von den Vorgabebauteileigenschaften 48 innerhalb des Toleranzbereiches liegt. Wie die Fertigungsprozessparameter hierfür zu ändern sind, wird beispielsweise durch das künstliche neuronale Netzwerk 50 ermittelt. Anschließend wird in dem Steuerschritt 112 fortgesetzt.In the interrupt step 110 the manufacturing process is interrupted, with a subsequent change step 114 the manufacturing process parameters are changed such that the deviation of the expected component properties 40 from the default component properties 48 is within the tolerance range. How to change the manufacturing process parameters for this is done, for example, by the artificial neural network 50 determined. Then in the control step 112 continued.

In dem Steuerschritt 112 wird die additive Fertigungsvorrichtung 10 auf den Fertigungsschritt 100 vorbereitet und an diese die geänderten Fertigungsprozessparameter übermittelt. Ferner werden die Steuerungsdaten zum Herstellen der nächsten Bauteilschicht 26 an die additive Fertigungsvorrichtung 10 übermittelt. Anschließend wird in dem Fertigungsschritt 100 fortgesetzt.In the control step 112 becomes the additive manufacturing device 10th on the manufacturing step 100 prepared and the changed manufacturing process parameters transmitted to them. Furthermore, the control data for producing the next component layer 26 to the additive manufacturing device 10th transmitted. Then in the manufacturing step 100 continued.

Das Verfahren läuft bis das Bauteil 20 fertiggestellt ist.The process runs until the component 20th is finished.

Ferner kann das Steuerungsverfahren einen Lernschritt 116 umfassen. In dem Lernschritt 116 können die Fertigungsprozessparameter und die Erwartungsbauteileigenschaften 40 verarbeitet werden und zum Trainieren des künstlichen neuronalen Netzwerks 50 verwendet werden. Damit werden die Änderungen der Fertigungsprozessparameter hinsichtlich der Annäherung an die Vorgabebauteileigenschaften 48 zusehends besser.Furthermore, the control method can be a learning step 116 include. In the learning step 116 can the manufacturing process parameters and the expected component properties 40 processed and for training the artificial neural network 50 be used. This changes the manufacturing process parameters in terms of approximation to the default component properties 48 visibly better.

Nachfolgend wird auf 3 Bezug genommen, die ein Beispiel eines Materialersatzmodellermittlungsverfahrens zeigt.Below is on 3rd Reference, which shows an example of a material replacement model determination process.

In einem Eingabeschritt 200 werden Bauteildaten oder Bauteilschichtdaten 32 die durch die Bauteilsensoreinrichtung 30 erfasst wurden eingegeben. Die Bauteildaten/Bauteilschichtdaten 32 geben insbesondere Aufschluss über Materialdefekte, insbesondere Porosität und/oder Fehlstellendichte bzw. -größe.In one step 200 become component data or component layer data 32 by the component sensor device 30th were entered. The component data / component layer data 32 provide information about material defects, in particular porosity and / or defect density or size.

In einem an den Eingabeschritt 200 anschließenden Modellierungsschritt 202 wird zunächst eine Mehrzahl von Materialeinheitszellen 52, beispielsweise in Würfelform, erzeugt, die jeweils unterschiedliche Konfigurationen von Materialdefekten 54 aufweisen. Die Materialeinheitszellen 52 repräsentieren ein Stück eines vordefinierten Materials, das dem Fertigungsmaterial entspricht, also beispielsweise dem Metallpulver 24.In one go to the input step 200 subsequent modeling step 202 is first a plurality of material unit cells 52 , for example in the form of a cube, each with different configurations of material defects 54 exhibit. The material unit cells 52 represent a piece of a predefined material that corresponds to the manufacturing material, for example the metal powder 24th .

In einem Belastungsschritt 204 werden unterschiedliche Lastfälle 56 auf jede der Materialeinheitszellen 52 angewendet und eine entsprechende belastete Materialeinheitszelle 58 ermittelt. Insbesondere Materialsteifigkeit 60 und Materialstärke 62 (bspw. bis zum Bruch) werden daraus als Materialersatzparameter 64 ermittelt. In one stress step 204 are different load cases 56 on each of the material unit cells 52 applied and a corresponding loaded material unit cell 58 determined. In particular material rigidity 60 and material thickness 62 (e.g. until breakage) are used as material replacement parameters 64 determined.

In einem Trainingsdatenschritt 206 wird jeder Materialeinheitszelle 52 die entsprechenden Materialersatzparameter 64 zugeordnet und als Materialtrainingsdaten 66 gespeichert.In a training data step 206 each material unit cell 52 the corresponding material replacement parameters 64 assigned and as material training data 66 saved.

In einem Trainingsschritt 208 wird ein künstliches neuronales Netzwerk, Materialnetzwerk 68, mit den Materialtrainingsdaten 66 trainiert und so ein Materialersatzmodell 70 gebildet, das indikativ ist für das Materialverhalten des zu modellierenden Materials bei unterschiedlichen Materialdefektdichten und unterschiedlichen Materialdefektgrößen.In one training step 208 becomes an artificial neural network, material network 68 with the material training data 66 trained and so a material replacement model 70 formed, which is indicative of the material behavior of the material to be modeled with different material defect densities and different material defect sizes.

Mit anderen Worten, wird ein beliebiger Lastfall an das Materialersatzmodell 70 angelegt, so gibt das Materialersatzmodell 70 unmittelbar das Materialverhalten zurück.In other words, any load case is applied to the material replacement model 70 the material replacement model 70 immediately the material behavior back.

Das Materialersatzmodellermittlungsverfahren kann parallel zu anderen Verfahren, gesondert oder völlig unabhängig zur Vorbereitung eines Fertigungsprozesses durchgeführt werden.The material replacement model determination process can be carried out in parallel to other processes, separately or completely independently to prepare a manufacturing process.

Es wird nachfolgend auf 4 Bezug genommen, die ein Beispiel eines Bauteilersatzmodellermittlungsverfahrens zeigt.It will follow on 4th Reference, which shows an example of a component replacement model determination method.

In einem Eingabeschritt 300 werden Bauteildaten oder Bauteilschichtdaten 32 die durch die Bauteilsensoreinrichtung 30 erfasst wurden eingegeben. Die Bauteildaten/Bauteilschichtdaten 32 geben insbesondere Aufschluss über Bauteildefekte 72, insbesondere Bauteilporosität und/oder Bauteilfehlstellendichte bzw. -größe. Hieraus werden Bauteilabweichungen von dem Bauteilmodell ermittelt.In one step 300 become component data or component layer data 32 by the component sensor device 30th were entered. The component data / component layer data 32 provide information in particular about component defects 72 , in particular component porosity and / or component defect density or size. From this, component deviations from the component model are determined.

In einem Materialschritt 302 werden anhand der Bauteildefekte 72 bzw. Bauteilabweichungen Bauteilbereiche 74 ermittelt und dem jeweiligen Bauteilbereich 72 eine den darin befindlichen Bauteildefekten 72 entsprechendes Materialersatzmodell 70 zugeordnet. Aus dem Materialschritt 302 ergibt sich eine Bauteilersatzstruktur 76 zur Weiterverarbeitung.In one step 302 are based on the component defects 72 or component deviations component areas 74 determined and the respective component area 72 one of the component defects in it 72 corresponding material replacement model 70 assigned. From the material step 302 there is a component replacement structure 76 for further processing.

In einem Belastungsschritt 304 werden unterschiedliche Bauteillastfälle 78 auf die Bauteilersatzstruktur 76 angewendet. Die Bauteillastfälle 78 werden dabei von dem jeweiligen Materialersatzmodell 70 unmittelbar verarbeitet und das entsprechende Materialverhalten zurückgegeben. Hieraus wird sodann die Bauteilstrukturreaktion 80 ermittelt, die indikativ für das Bauteilverhalten des Bauteils 20 unter einem bestimmten Bauteillastfall 78 ist. Insbesondere wird ein struktureller Kollaps oder katastrophales Versagen als Bauteilstrukturreaktion 80 des Bauteils 20 simuliert.In one stress step 304 different component load cases 78 on the component replacement structure 76 applied. The component load cases 78 are from the respective material replacement model 70 processed immediately and the corresponding material behavior returned. This then becomes the component structure reaction 80 determined that is indicative of the component behavior of the component 20th under a certain component load case 78 is. In particular, a structural collapse or catastrophic failure occurs as a component structure reaction 80 of the component 20th simulated.

In einem Trainingsdatenschritt 306 werden den Bauteildaten bzw. Bauteilschichtdaten 26 die jeweils entsprechende Bauteilstrukturreaktion 80 zugeordnet und als Bauteiltrainingsdaten 82 gespeichert.In a training data step 306 are the component data or component layer data 26 the corresponding component structure reaction 80 assigned and as component training data 82 saved.

In einem Trainingsschritt 308 wird ein künstliches neuronales Netzwerk, Bauteilnetzwerk 84, mit den Bauteiltrainingsdaten 82 trainiert und so ein Bauteilersatzmodell 86 gebildet, das indikativ ist für das Bauteilverhalten des zu fertigenden Bauteils 20.In one training step 308 becomes an artificial neural network, component network 84 , with the component training data 82 trained and so a component replacement model 86 formed, which is indicative of the component behavior of the component to be manufactured 20th .

Mit anderen Worten, wird ein beliebiger Lastfall an das Bauteilersatzmodell 86 angelegt, so gibt das Bauteilersatzmodell 86 unmittelbar das Bauteilverhalten zurück.In other words, any load case is applied to the component replacement model 86 created, so the component replacement model 86 the component behavior immediately.

Das Bauteilersatzmodellermittlungsverfahrens kann parallel zu anderen Verfahren, gesondert oder völlig unabhängig zur Vorbereitung eines Fertigungsprozesses durchgeführt werden.The component replacement model determination process can be carried out in parallel to other processes, separately or completely independently in preparation for a manufacturing process.

BezugszeichenlisteReference list

1010th
additive Fertigungsvorrichtungadditive manufacturing device
1212th
selektive Lasersintervorrichtungselective laser sintering device
1414
MetallpulverbetteinrichtungMetal powder bed device
1616
LasersintereinrichtungLaser sintering device
1818th
MetallpulverschichtungseinrichtungMetal powder coating device
2020th
BauteilComponent
2222
Laserstrahllaser beam
2424th
MetallpulverMetal powder
2626
BauteilschichtComponent layer
2828
SteuervorrichtungControl device
3030th
BauteilsensoreinrichtungComponent sensor device
3232
BauteilschichtdatenComponent layer data
3434
Kameracamera
3838
ErwartungsbauteileigenschaftenermittlungseinrichtungExpectation component property determination device
4040
ErwartungsbauteileigenschaftenExpected component properties
4242
MaterialersatzmodelleMaterial replacement models
4444
BauteilersatzmodelleComponent replacement models
4646
SteuereinrichtungControl device
4848
VorgabebauteileigenschaftenDefault component properties
5050
künstliches neuronales Netzwerkartificial neural network
5252
MaterialeinheitszelleMaterial unit cell
5454
MaterialdefektMaterial defect
5656
LastfallLoad case
5858
belastete Materialeinheitszelleloaded material unit cell
6060
MaterialsteifigkeitMaterial rigidity
6262
MaterialstärkeMaterial thickness
6464
MaterialersatzparameterMaterial replacement parameters
6666
MaterialtrainingsdatenMaterial training data
6868
MaterialnetzwerkMaterial network
7070
MaterialersatzmodellMaterial replacement model
7272
BauteildefekteComponent defects
7474
BauteilbereicheComponent areas
7676
BauteilersatzstrukturComponent replacement structure
7878
BauteillastfallComponent load case
8080
BauteilstrukturreaktionComponent structure reaction
8282
BauteiltrainingsdatenComponent training data
8484
BauteilnetzwerkComponent network
8686
Bauteilersatzmodell Component replacement model
100100
FertigungsschrittManufacturing step
102102
ErfassungsschrittAcquisition step
104104
ErwartungsbauteileigenschaftenermittlungsschrittExpectation component property determination step
106106
ValidierungsschrittValidation step
108108
FortsetzungsschrittContinuation step
110110
UnterbrechungsschrittInterrupt step
112112
SteuerschrittControl step
114114
ÄnderungsschrittChange step
116116
Lernschritt Learning step
200200
EingabeschrittInput step
202202
ModellierungsschrittModeling step
204204
BelastungsschrittLoad step
206206
TrainingsdatenschrittTraining data step
208208
Trainingsschritt Training step
300300
EingabeschrittInput step
302302
MaterialschrittMaterial step
304304
BelastungsschrittLoad step
306306
TrainingsdatenschrittTraining data step
308308
TrainingsschrittTraining step

Claims (15)

Steuerungsverfahren zum Steuern einer zum schichtweisen additiven Fertigen eines Bauteils (20) ausgebildeten additiven Fertigungsvorrichtung (10), mit den Schritten: a) mittels einer Bauteilsensoreinrichtung (30): zerstörungsfreies Erfassen einer Bauteilschicht (26) des zu fertigenden Bauteils (20) zwecks Erhalt von Bauteilschichtdaten (32) oder des Bauteils (20) zwecks Erhalt von Bauteildaten, wobei die Bauteildaten und Bauteilschichtdaten (32) jeweils indikativ für Bauteileigenschaften des Bauteils (20) sind; b) mittels einer Erwartungsbauteileigenschaftenermittlungseinrichtung (38): Ermitteln von Erwartungsbauteileigenschaften (40) aus den Bauteilschichtdaten (26)/Bauteildaten, aus wenigstens einem Materialersatzmodell (42, 70) und aus wenigstens einem Bauteilersatzmodell (44, 86); c) in Abhängigkeit von den Erwartungsbauteileigenschaften (40) mittels einer Steuereinrichtung (46): - Steuern der additiven Fertigungsvorrichtung (10), einen additiven Fertigungsprozess mit unveränderten Fertigungsprozessparametern fortzusetzen; oder - Verändern der Fertigungsprozessparameter basierend auf den Erwartungsbauteileigenschaften (40) und Vorgabebauteileigenschaften (48) zwecks Annähern der Erwartungsbauteileigenschaften (40) an die Vorgabebauteileigenschaften (48) und Steuern der additiven Fertigungsvorrichtung (10), den Fertigungsprozess mit den veränderten Fertigungsprozessparametern fortzusetzen.Control method for controlling an additive manufacturing device (10) designed for layer-by-layer additive manufacturing of a component (20), comprising the steps: a) by means of a component sensor device (30): non-destructive detection of a component layer (26) of the component to be manufactured (20) for the purpose of obtaining component layer data (32) or the component (20) for the purpose of receiving component data, the component data and component layer data (32) in each case are indicative of component properties of the component (20); b) by means of an expected component property determination device (38): determining expected component properties (40) from the component layer data (26) / component data, from at least one material replacement model (42, 70) and from at least one component replacement model (44, 86); c) as a function of the expected component properties (40) by means of a control device (46): - Controlling the additive manufacturing device (10) to continue an additive manufacturing process with unchanged manufacturing process parameters; or - Changing the manufacturing process parameters based on the expected component properties (40) and default component properties (48) in order to approximate the expected component properties (40) to the default component properties (48) and controlling the additive manufacturing device (10) to continue the manufacturing process with the changed manufacturing process parameters. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilsensoreinrichtung (30) ausgewählt ist aus einer Gruppe die eine Bildgebungseinrichtung, eine Kamera (34), eine VIS-Kamera, eine IR-Kamera, eine X-Ray-Kamera, eine CT-Einrichtung, eine Ultraschallbildeinrichtung, eine thermische Bildgebungseinrichtung, eine Thermometereinrichtung, eine Wirbelstrommesseinrichtung und eine Vibrationsanalyseeinrichtung enthält.Control method according to one of the preceding claims, characterized in that the component sensor device (30) is selected from a group comprising an imaging device, a camera (34), a VIS camera, an IR camera, an X-ray camera, a CT Device, an ultrasound imaging device, a thermal imaging device, a thermometer device, an eddy current measuring device and a vibration analysis device. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das Materialersatzmodell (70) durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 und/oder das Bauteilersatzmodell (86) durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 11 und 12 ermittelt ist.Control method according to one of the preceding claims, characterized in that in step b) the material replacement model (70) by a method according to one of the Claims 8 to 10th and / or the component replacement model (86) by a method according to one of the Claims 11 and 12th is determined. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die zuletzt gefertigte Bauteilschicht (26) mit den veränderten Fertigungsprozessparametern überarbeitet wird.Control method according to one of the preceding claims, characterized in that in step c) the last component layer (26) produced is revised with the changed manufacturing process parameters. Steuerungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die veränderten Fertigungsprozessparameter durch ein künstliches neuronales Netzwerk (50) ermittelt werden.Control method according to one of the preceding claims, characterized in that in step c) the changed manufacturing process parameters are determined by an artificial neural network (50). Steuerungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das künstliche neuronale Netzwerk (50) mit während des Fertigungsprozesses erfassten Fertigungsprozessparametern und während des Fertigungsprozesses ermitteltem Erwartungsbauteileigenschaften (40) und/oder Bauteilverhalten trainiert ist. Control procedure after Claim 5 , characterized in that the artificial neural network (50) is trained with production process parameters recorded during the production process and expected component properties (40) and / or component behavior determined during the production process. Steuerungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteilverhalten mittels eines Bauteilersatzmodellermittlungsverfahrens nach einem der Ansprüche 11 oder 12 ermittelt wird.Control procedure after Claim 6 , characterized in that the component behavior by means of a component replacement model determination method according to one of the Claims 11 or 12th is determined. Materialersatzmodellermittlungsverfahren zum Ermitteln eines Materialersatzmodells (70) aus Materialparametern des zu modellierenden Materials und Materialdefekten (54), insbesondere Materialfehlstellen und/oder Materialrisse, zwecks Verwendung des Materialersatzmodells (70) bei einem Bauteilersatzmodellermittlungsverfahren, mit den Schritten: a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Materialeinheitszellen (52) mit unterschiedlichen Konfigurationen von Materialdefekten (54) in der Materialeinheitszelle (52); b) Ermitteln von Materialersatzparametern (64) für jede Materialeinheitszelle (52) aus den Materialparametern und unterschiedlichen Lastfällen (56); c) Zuordnen jeder in Schritt a) bereitgestellten Materialeinheitszelle (52) zu den in Schritt b) ermittelten Materialersatzparametern (64); d) Trainieren des Materialersatzmodells (70), insbesondere durch maschinelles Lernen, mit den Materialeinheitszellen (52) und den zugehörigen Materialersatzparametern (64), so dass das Materialersatzmodell (70) indikativ ist für das Materialverhalten des zu modellierenden Materials bei unterschiedlichen Materialdefektdichten und unterschiedlichen Materialdefektgrößen.Material replacement model determination method for determining a material replacement model (70) from material parameters of the material to be modeled and material defects (54), in particular material defects and / or material cracks, for the purpose of using the material replacement model (70) in a component replacement model determination method, with the steps: a) providing a plurality of material unit cells (52) with different configurations of material defects (54) in the material unit cell (52); b) determining material replacement parameters (64) for each material unit cell (52) from the material parameters and different load cases (56); c) assigning each material unit cell (52) provided in step a) to the material replacement parameters (64) determined in step b); d) Training the material replacement model (70), in particular by machine learning, with the material unit cells (52) and the associated material replacement parameters (64), so that the material replacement model (70) is indicative of the material behavior of the material to be modeled with different material defect densities and different material defect sizes . Materialersatzmodellermittlungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) das Bereitstellen durch computergenerierte Daten und/oder durch während eines additiven Fertigungsprozesses erfasste Bauteilschichtdaten oder Bauteildaten erfolgt.Material replacement model determination procedure according to Claim 8 , characterized in that in step a) the provision is made by computer-generated data and / or by component layer data or component data recorded during an additive manufacturing process. Materialersatzmodellermittlungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) jeder Materialersatzparameter (64) ausgewählt ist aus einer Gruppe, die Materialsteifigkeit (60), Materialstärke (62), Materialermüdung, Materialbruchdehnung, Materialelastizitätsmodul, Materialkompressionsmodul, Materialschubmodul enthält.Material replacement model determination method according to one of the Claims 8 or 9 , characterized in that in step b) each material replacement parameter (64) is selected from a group that contains material stiffness (60), material thickness (62), material fatigue, material fracture elongation, material elasticity module, material compression module, material thrust module. Bauteilersatzmodellermittlungsverfahren zum Ermitteln eines Bauteilersatzmodells (86) aus wenigstens einem Materialersatzmodell (42, 70) und einem Bauteilmodell eines zu fertigenden Bauteils zwecks Verwendung des Bauteilersatzmodells (86) bei einem Steuerungsverfahren zum Steuern einer zum schichtweisen additiven Fertigen eines Bauteils ausgebildeten additiven Fertigungsvorrichtung (10), mit den Schritten: a) Bereitstellen von Bauteildaten, die indikativ sind für Bauteilabweichungen von dem Bauteilmodell, und/oder Bauteilschichtdaten (32), die indikativ sind für Bauteilschichtabweichungen von einer Bauteilmodellschicht des Bauteilmodells; b) Ermitteln eines zu einem Bauteilbereich (74) passenden Materialersatzmodells (70) für jeden Bauteilbereich (74) und Zuordnen des Materialersatzmodells (70) zu diesem Bauteilbereich (74) zwecks erhalt einer Bauteilersatzstruktur (76); c) Ermitteln einer Bauteilstrukturreaktion (80) für unterschiedliche Lastfälle (78) anhand der Bauteilersatzstruktur (76); d) Zuordnen der in Schritt a) bereitgestellten Bauteildaten/Bauteilschichtdaten (32) zu jeder in Schritt c) ermittelten Bauteilstrukturreaktion (80); e) Trainieren des Bauteilersatzmodells (86), insbesondere durch maschinelles Lernen, mit den Bauteildaten/Bauteilschichtdaten (32) und den zugehörigen Bauteilstrukturreaktionen (80), so dass das Bauteilersatzmodell (86) indikativ ist für das Bauteilverhalten des zu fertigenden Bauteils (20).Component replacement model determination method for determining a component replacement model (86) from at least one material replacement model (42, 70) and a component model of a component to be manufactured for the purpose of using the component replacement model (86) in a control method for controlling an additive manufacturing device (10) designed for layer-by-layer additive manufacturing of a component, with the steps: a) providing component data which are indicative of component deviations from the component model and / or component layer data (32) which are indicative of component layer deviations from a component model layer of the component model; b) determining a material replacement model (70) suitable for a component area (74) for each component area (74) and assigning the material replacement model (70) to this component area (74) in order to obtain a component replacement structure (76); c) determining a component structure reaction (80) for different load cases (78) using the component replacement structure (76); d) assigning the component data / component layer data (32) provided in step a) to each component structure reaction (80) determined in step c); e) Training the component replacement model (86), in particular by machine learning, with the component data / component layer data (32) and the associated component structure reactions (80), so that the component replacement model (86) is indicative of the component behavior of the component to be manufactured (20). Bauteilersatzmodellermittlungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) das Bereitstellen durch computergenerierte Daten und/oder durch während eines additiven Fertigungsprozesses erfasste Bauteilschichtdaten (32) oder Bauteildaten erfolgt.Component replacement model determination procedure according to Claim 11 , characterized in that in step a) the provision is made by computer-generated data and / or by component layer data (32) or component data acquired during an additive manufacturing process. Steuervorrichtung (28) zum Steuern einer zum schichtweisen additiven Fertigen eines Bauteils (20) ausgebildeten additiven Fertigungsvorrichtung (10), wobei die Steuervorrichtung (28) zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, wobei die Steuervorrichtung (28) eine an der additiven Fertigungsvorrichtung (10) anbringbare Bauteilsensoreinrichtung (30), die zum zerstörungsfreien Erfassen einer Bauteilschicht (26) des zu fertigenden Bauteils (20) zwecks Erhalt von Bauteilschichtdaten (32), die indikativ für Bauteileigenschaften des Bauteils sind, ausgebildet ist, eine Erwartungsbauteileigenschaftenermittlungseinrichtung (38), die zum Ermitteln von Erwartungsbauteileigenschaften (40) aus den Bauteilschichtdaten (32), aus einem Materialersatzmodell (42, 70) und aus einem Bauteilersatzmodell (44, 86) ausgebildet ist und eine an die additive Fertigungseinrichtung (10) anschließbare Steuereinrichtung (46) umfasst, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Erwartungsbauteileigenschaften (40) die additive Fertigungsvorrichtung (10) derart zu Steuern, dass die additive Fertigungsvorrichtung (10) einen additiven Fertigungsprozess mit unveränderten Fertigungsprozessparametern fortsetzt oder dass die additive Fertigungsvorrichtung (10) die Fertigungsprozessparameter basierend auf den Erwartungsbauteileigenschaften (40) und Vorgabebauteileigenschaften (48) verändert, um die Erwartungsbauteileigenschaften (40) an die Vorgabebauteileigenschaften (48) anzunähern, und die additive Fertigungsvorrichtung (10), den Fertigungsprozess mit den veränderten Fertigungsprozessparametern fortsetzt.Control device (28) for controlling an additive manufacturing device (10) designed for layer-by-layer additive manufacturing of a component (20), the control device (28) for performing one of the methods according to one of the Claims 1 to 12th The control device (28) is a component sensor device (30) which can be attached to the additive manufacturing device (10) and which is used for the non-destructive detection of a component layer (26) of the component to be manufactured (20) in order to obtain component layer data (32) indicative of Component properties of the component are designed, an expected component properties determination device (38), which is designed to determine expected component properties (40) from the component layer data (32), from a material replacement model (42, 70) and from a component replacement model (44, 86) and one comprises a control device (46) which can be connected to the additive manufacturing device (10) and which is designed to control the additive manufacturing device (10) as a function of the expected component properties (40) such that the additive manufacturing device (10) continues an additive manufacturing process with unchanged manufacturing process parameters or that di e additive Manufacturing device (10) changes the manufacturing process parameters based on the expected component properties (40) and default component properties (48) to approximate the expected component properties (40) to the default component properties (48), and the additive manufacturing device (10) continues the manufacturing process with the changed manufacturing process parameters. Steuervorrichtung (28) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilsensoreinrichtung (30) ausgewählt ist aus einer Gruppe die eine Bildgebungseinrichtung, eine Kamera (34), eine VIS-Kamera, eine IR-Kamera, eine X-Ray-Kamera, eine CT-Einrichtung, eine Ultraschallbildeinrichtung, eine thermische Bildgebungseinrichtung, eine Thermometereinrichtung, eine Wirbelstrommesseinrichtung und eine Vibrationsanalyseeinrichtung enthält.Control device (28) after Claim 13 , characterized in that the component sensor device (30) is selected from a group comprising an imaging device, a camera (34), a VIS camera, an IR camera, an X-ray camera, a CT device, an ultrasound image device, includes a thermal imaging device, a thermometer device, an eddy current measuring device and a vibration analysis device. Additive Fertigungsvorrichtung (10), die zum schichtweisen additiven Fertigen eines Bauteils (20) ausgebildet ist und die ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, und/oder die eine Steuervorrichtung (28) nach einem der Ansprüche 13 oder 14 umfasst.Additive manufacturing device (10) which is designed for layer-by-layer additive manufacturing of a component (20) and which is designed, a method according to one of the Claims 1 to 12th perform, and / or the one control device (28) according to one of the Claims 13 or 14 includes.
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