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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere eines Fahrzeugbauteils.
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Entsprechende Verfahren zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts sind aus dem Stand der Technik dem Grunde nach bekannt. Die europäische Patentanmeldung
EP 1 358 855 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen metallischer oder nicht-metallischer Produkte durch Freiform-Lasersintern, bei dem die Produkte mittels eines datengesteuert geführten Laserstrahls aus pulverförmigem Werkstoff auf einer Substratplatte schichtweise senkrecht aufgebaut werden, wobei zwischen der Substratplatte und der Außenfläche des Produkts mindestens eine Stütze aufgebaut wird, die über eine Sollbruchstelle mit der Außenfläche des Produkts verbunden ist.
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Es sind ferner auch additive Fertigungsverfahren bekannt, bei welchem ein Baumaterial aus Kunststoff oder Kunstharz sukzessive und bereichsabhängig mit Energie beaufschlagt wird, um ein definiertes dreidimensionales Objekt herzustellen. Eine nicht unbeträchtliche zeitliche Komponente während der Herstellung eines, insbesondere aus Kunststoff oder Kunstharz hergestellten, dreidimensionalen Objekts nimmt die Abkühlzeit des verfestigten Baumaterials nach dessen Aufschmelzen bzw. nach dessen Verfestigung ein. Erst nachdem ein Bauteil einen vorbestimmten Temperaturwert erreicht bzw. unterschritten hat, kann das Bauteil im weiteren Prozess gehandhabt werden bzw. von an dem dreidimensionalen Objekt oder um das dreidimensionale Objekt befindlichen, insbesondere unverfestigten, Baumaterial getrennt bzw. befreit werden. Pauschale Angaben der Zeiträume der Abkühlung des aufgebauten dreidimensionalen Objekts sind ungenau, sodass oft ein zu langes Abkühlen der Bauteile erfolgt bzw. weit nachdem die Handhabungstemperatur unterschritten wurde das Bauteil erst zur Handhabung freigegeben wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches insbesondere im Hinblick auf eine einfache und schnelle sowie kostengünstige Maßnahme die Abkühlzeit bis zum Erreichen einer Mindesttemperatur eines additiv hergestellten dreidimensionalen Objekts genauer bestimmt bzw. angibt. Insbesondere soll der zeitliche Aufwand zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten verkürzt werden.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur additiven Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere eines Fahrzeugbauteils gemäß Anspruch 1 gelöst. Die hierzu abhängigen Ansprüche betreffen mögliche Ausführungsformen der Vorrichtung/des Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, in einem Bauraum durch sukzessive selektive Verfestigung eines, insbesondere pulverförmigen, Baumaterials zur Bildung des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts, umfassend folgende Verfahrensschritte: (a) Aufbauen des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts, (b) Entfernen von zumindest unverfestigten Baumaterial von dem wenigstens einen dreidimensionalen Objekt und (c) Entnehmen des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts aus dem Bauraum, wobei (da) das Entfernen des unverfestigten Baumaterials von dem wenigstens einen dreidimensionalen Objekt und/oder (db) das Entnehmen des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts aus dem Bauraum erst ausgeführt wird, wenn eine Mindestzeit verstrichen ist. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Mindestzeit in Abhängigkeit von wenigstens einer das Abkühlverhalten des dreidimensionalen Objekts und/oder das Abkühlverhalten des das dreidimensionale Objekt umgebenden Baumaterials beschreibenden Abkühlinformation, insbesondere eines Abkühlmodells, bestimmt wird, wobei die vermittels der Abkühlinformation bestimmte Mindestzeit von zumindest einer Eingangsgröße abhängig ist, wobei die Eingangsgröße (ea) wenigstens einen Parameter des additiven Fertigungsverfahrens und/oder (eb) wenigstens ein geometrisches Kriterium des dreidimensionalen Objekts und/oder (ec) wenigstens ein das Material, d. h. z. B. ein die Materialeigenschaften des Baumaterials, des dreidimensionalen Objekts kennzeichnendes Kriterium umfasst. Dadurch, dass die Mindestzeit in Abhängigkeit von wenigstens einer, insbesondere von einer Vielzahl, der genannten Eingangsgrößen bestimmt wird, kann eine genauere bzw. realitätsnähere Abschätzung der Abkühlzeit ermittelt werden. So dass ein „Zuviel“ an Wartezeit vermeidbar wird und schließlich der Produktionszyklus beschleunigt werden kann. Mit anderen Worten kann anhand der Berücksichtigung wenigstens einer der oben genannten Eingangsgrößen über eine Abkühlinformation bzw. über ein Abkühlmodells eine die tatsächliche Abkühlung wenigstens eines konkreten dreidimensionalen Objekts, insbesondere sämtlicher dreidimensionalen Objekte innerhalb eines Baujobs, realitätsnäher vorhergesagt werden. Damit kann unnötige Wartezeit, welche auf einer pauschalen Mindestzeitabschätzung fußt, vermieden wird.
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Das Entfernen von unverfestigten Baumaterial von dem wenigstens einen dreidimensionalen Objekt kann auch beispielsweise das Entfernen von verfestigten aber nicht zu dem bestimmungsgemäßen dreidimensionalen Objekt gehörenden Abschnitten umfassen. Dies kann beispielsweise eine Stützstruktur und/oder eine Handlingstruktur umfassen, welche während des Bauprozesses zur Abstützung von Abschnitten des aufgebauten Baumaterials verwendet wird. Auch kann dies eine Handlingstruktur betreffen, welche zwar nach dem Bauprozess noch eine das dreidimensionale Objekt handhabende Funktion (z. B. Tragefunktion oder Angriffspunkt für einen Robotergreifer zum mittelbaren Greifen des dreidimensionalen Objekts) innehat, jedoch im finalen bestimmungsgemäßen Gebrauch des dreidimensionale Objekt nicht mehr an diesem verortet ist.
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Der Aufbau des dreidimensionalen Objekts umfasst die Bereitstellung eines pulverförmigen oder flüssigen Baumaterials das in Reaktion auf eine selektive bereichsabhängige Energieeinwirkung entsprechend bereichsabhängig verfestigt wird, um ein verfestigtes dreidimensionales Objekt auszubilden. Die Energieeinwirkung kann beispielsweise die Einwirkung eines Energiestrahls auf das Baumaterial umfassen, insbesondere kann hierbei ein Laserstrahl und/oder Elektronenstrahlung und/oder UV-Strahlung das Baumaterial selektiv bereichsabhängig beaufschlagen, wobei das Baumaterial sich unter der Einwirkung des Laserstrahls und/oder des Elektronenstrahls und/oder der UV-Strahlung verfestigt bzw. aushärtet. Dabei kann das Baumaterial optional eine unter UV-Strahlung aushärtende Eigenschaft aufweisen. Es ist beispielsweise möglich, dass der Aufbau des dreidimensionalen Objekts in einem ersten Schritt eine Verfestigung des Baumaterials derart umfasst, dass das Baumaterial eine Formstabilität aufweist und eine Grundform dem dreidimensionalen Objekt aufgeprägt wurde. In einem nachfolgenden weiteren Verfahrensschritt kann beispielsweise eine zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständige, Nachverfestigung des dreidimensionalen Objekts erfolgen. Die Nachverfestigung kann beispielsweise unter Einwirkung von thermischer Energie erfolgen und das Baumaterial, insbesondere nach einem zumindest abschnittsweisen Erweichen erneut, (nach)verfestigten.
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Die oben erwähnten Verfahrensschritte (b) Entfernen von unverfestigten Baumaterial von dem wenigstens einen dreidimensionalen Objekt und (c) Entnehmen des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts aus dem Bauraum können in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden. So kann beispielsweise verfestigtes und unverfestigtes Baumaterial nach der additiven Herstellung des dreidimensionalen Objekts zumindest teilweise, insbesondere vollständig gemeinsam aus dem Bauraum entnommen und im Anschluss daran zumindest teilweise, insbesondere vollständig, von dem unverfestigten Baumaterial befreit werden. Alternativ kann das dreidimensionale Objekt vor dessen Entnahme aus dem Bauraum von zumindest einem Teil des unverfestigten Baumaterials, insbesondere von sämtlichen unverfestigten Baumaterial, befreit werden und im Anschluss daran aus dem Bauraum entnommen werden.
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Die Mindestzeit der Abkühlung des dreidimensionale Objekt kann den Zeitraum oder Abkühlzeit angeben, die nach Fertigstellung des dreidimensionalen Objekts bzw. die nach Beendigung des Energieeintrags zur Verfestigung des dreidimensionalen Objekts verstreichen muss, bis das dreidimensionales Objekt eine Temperatur aufweist, welche dessen Handhabung und/oder das Entfernen von unverfestigten Baumaterial im Umfeld des dreidimensionalen Objekts ermöglicht. Die Handhabbarkeit des dreidimensionalen Objekts kann hierbei eine ausreichende Formstabilität, insbesondere aufgrund des im Zuge der Abkühlung erfolgten Verfestigung, des Baumaterials umfassen. Mit anderen Worten kann nach dem Verstreichen der Mindestzeit eine ausreichende Robustheit des dreidimensionalen Objekts vorliegen, welche es erlaubt, das dreidimensionale Objekt einem nachgelagerten Verfahrensschritt zu unterziehen. Ein nachgelagerter Verfahrensschritt kann dessen Verpacken, Verbau an oder in eine Baugruppe und/oder Nachbearbeitung, z. B. Beschichtung und/oder Oberflächenbearbeitung, umfassen.
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Die Abkühlinformation, insbesondere in Form eines Abkühlmodells, bildet den Zusammenhang zwischen einer Eingangsgröße oder mehrerer Eingangsgrößen zu der Mindestzeit der Abkühlung des verfestigten Baumaterials bzw. des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts eines Baujobs ab. Abhängig von dem wenigstens einen Wert der Eingangsgröße kann ein hiervon abhängiger Mindestzeitwert für die Abkühlung bestimmt werden. Die Abkühlinformation, insbesondere das Abkühlmodell, kann hierbei beispielsweise unter Berücksichtigung einer oder mehrerer Eingangsgrößen in einem vordefinierten oder anpassbaren Algorithmus zu einer prognostizierten Mindestzeit führen.
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Der Bauraum der additiven Fertigungsvorrichtung, in welcher das additive Fertigungsverfahren zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts ausgeführt wird, kann beispielsweise unlösbarer Bestandteil der additiven Fertigungsanlage einer additiven Fertigungsvorrichtung sein. Alternativ kann der Bauraum als aus der Fertigungsanlage entnehmbarer, insbesondere verfahrbare, Baubehälter ausgebildet sein, sodass das verfestigte und unverfestigte Baumaterial nach der Beendigung der Energieeinbringung noch in dem Bauraum liegend durch Verlagerung des Baubehälters aus der Fertigungsvorrichtung entfernt werden kann. Damit kann die Abkühlzeit zur Abkühlung eines dreidimensionalen Objekts zumindest teilweise außerhalb der Fertigungsanlage verstreichen, um während des Abkühlens des dreidimensionale Objekt eines ersten Baujobs unter Verwendung eines weiteren, in die Fertigungsanlage eingesetzten Baubehälters einen weiteren Baujob zu starten bzw. auszuführen. Die Fertigungsanlage und der von der Fertigungsanlage lösbare Baubehälter bilden Bestandteile der Fertigungsvorrichtung.
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Als Parameter des additiven Fertigungsverfahrens zur Bestimmung der Mindestzeit und damit als Eingangsgröße der Abkühlinformation bzw. des Abkühlmodells kann (a) eine Bauzeit und/oder (b) eine Intensität eines Verfestigungsmittels, insbesondere einer Energiestrahlung, und/oder (c) eine Bauhöhe und/oder (d) eine Packungsdichte des oder der in dem Bauraum aufgebauten dreidimensionalen Objekts/e und/oder (e) eine Bauraumtemperatur während des additiven Fertigungsverfahrens und/oder (f) eine Baumaterialausgangstemperatur und/oder (g) eine Anzahl von Baumaterialschichten, insbesondere welche ein verfestigtes Baumaterial umfassen und/oder (h) eine Anzahl von Baumaterialsichten des Baujobs insgesamt und/oder (i) eine Anzahl der dreidimensionalen Objekte während des Baujobs und/oder (j) physikalische und/oder chemische Eigenschaften und/oder Anzahl von einer mit dem dreidimensionale Objekt mit aufgebauten Stütz- und/oder Handhabungsstruktur (k) ein Abstand des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts von dem Zentrum des Bauraums, insbesondere von dem Zentrum einer Baufläche, und/oder (I) ein Abstand wenigstens zweier in einem Baujob aufgebauter dreidimensionaler Objekte zueinander verwendet werden. Die angegebenen Parameter des additiven Fertigungsverfahrens bzw. die angegebenen Parameter zur Steuerung der additiven Fertigungsvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts haben einzeln oder in Kombination miteinander einen Einfluss auf die Abkühlzeit des dreidimensionalen Objekts und damit auf die Mindestzeit, welche abzuwarten ist, bis ein dreidimensionalen Objekts von dem ihn umgebenden unverfestigten Baumaterial befreit und/oder bis das dreidimensionalen Objekts aus dem Bauraum entnommen werden kann.
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Die Bauzeit gibt beispielsweise den Zeitraum an, über welchen ein Energieeintrag in das Baumaterial, insbesondere in das aus einem pulverförmigen Baumaterial bestehenden Pulverbetts, erfolgt. Die Intensität eines Verfestigungsmittels, insbesondere einer Energiestrahlung, kann beispielsweise die Dauer der Belichtung bzw. der Einwirkung einer Energiestrahlung und/oder die Leistungsabgabe vermittels der Energiestrahlung auf einen definierten Flächenbereich des Baumaterials umfassen.
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Die Bauhöhe kann beispielsweise die Höhe des Baumaterialsaufbaus während des das wenigstens eine dreidimensionale Objekt ausbildenden Baujobs betreffen. Im Falle eines schichtweisen Auftrags von Baumaterial innerhalb der additiven Fertigungsvorrichtung kann beispielsweise die Anzahl der Bauschichten als Wert der Bauhöhe angesehen werden. Auch kann die Anzahl der Bauschichten im Zusammenhang mit der Bauschichtdicke berücksichtigt werden. Da typischerweise die Baufläche über den sukzessiven Aufbauprozesses des additiven Fertigungsverfahrens konstant bleibt, d. h. stets über einen gleichen oder identischen Flächenabschnitt Baumaterial bereitgestellt, insbesondere aufgebracht, wird, kann die Bauhöhe als eine baujobabhängige und das Volumen des verwendeten Baumaterials bestimmende Größe verstanden werden. Die Bauhöhe wird im additiven Fertigungsverfahren entsprechend der Erfordernisse auf Grund der Anordnung und Ausrichtung des dreidimensionalen Objekts innerhalb des Bauraumvolumens festgelegt. Die Bauhöhe kann einen Rückschluss auf die Abkühldauer eines dreidimensionalen Objekts geben. Beispielsweise ist bei einer geringen Bauhöhe nach Beendigung der Energieeinbringung des additiven Verfahrens ein flacher, insbesondere quaderförmiger oder zylindrischer, Volumenkörper von verfestigten und unverfestigten Baumaterial vorliegend, welcher einen hohen Oberfläche-zu-Volumen-Anteil aufweist, der wiederum ein schnelleres Abkühlverhalten auf Grund der zeitlich schnelleren thermischen Energieabgabe über die relativ große Oberfläche ergibt. Im Vergleich dazu kann eine hohe Bauhöhe eines Baujobs auf einen in der Tendenz eher würfelartige Form des verfestigten und unverfestigten Baumaterials im Bauraum zurückschließen lassen, wobei diese Form ein geringes Oberfläche-zu-Volumenverhältnis aufweist, das wiederum auf eine langsame Abkühlung und mithin auf eine höhere Mindestzeit für die Abkühlung zurückschließen lässt. Damit kann dieser für das Abkühlverhalten prägnante Effekt des Gesamtvolumens von verfestigten und unverfestigten Baumaterial nach Beendigung der Energieeinbringung auf einfache und wirksame Weise in der Mindestzeit der Abkühlung Bestimmung berücksichtigt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Packungsdichte des in dem Bauraum aufgebauten dreidimensionalen Objekts oder der in dem Bauraum aufgebauten dreidimensionalen Objekte einen aussagekräftigen Indikator bzw. einen signifikanten Einfluss auf das Abkühlverhalten des nach Beendigung der Energieeinbringung notwendigen Abkühlzeit des unverfestigten und verfestigten Baumaterials angeben. Beispielsweise kann eine hohe Packungsdichte auf einen hohen Anteil von verfestigten und damit mit einem Wärmeeintrag versehenem Baumaterial hinweisen. Dies führt zu einer längeren Abkühlzeit und damit zu einer längeren Mindestzeit für die Abkühlung. Im Umkehrschluss kann eine geringe Packungsdichte darauf hinweisen, dass einzelne dreidimensionale Objekte innerhalb des Bauvolumens einen größeren Abstand aufweisen und damit eine Abgabe von thermischer Energie von dem erwärmten verfestigten Baumaterial zu unverfestigten Baumaterial in einem höheren Maße erfolgen kann. Dies führt damit zu einer schnelleren Abkühlung bzw. zu einer geringeren Abkühlzeit.
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Die Bauraumtemperatur während oder nach der Energieeinbringung kann beispielsweise während des additiven Fertigungsverfahrens einen weiteren Einfluss auf die Mindestzeit der Abkühlung haben. Die Bauraumtemperatur kann hierbei beispielsweise zumindest temporär über einen fertigungsvorrichtungsseitig, insbesondere fertigungsanlagenseitig und/oder baubehälterseitig, angeordneten Temperatursensor erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Bauraumtemperatur aus Parametern der additiven Fertigungsvorrichtung abgeleitet werden.
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Auch die Anzahl von Baumaterialschichten, insbesondere welche ein verfestigtes Baumaterial umfassen und/oder eine Anzahl von Baumaterialschichten innerhalb des Baujobs insgesamt kann im Falle eines hohen Wertes auf eine tendenziell höhere Abkühldauer hinweisen.
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Abhängig davon, ob viele oder wenige dreidimensionale Objekte während eines Baujobs hergestellt werden, kann eine höhere bzw. geringere Mindestzeit für die Abkühlung des verfestigten und unverfestigten Baumaterials, insbesondere der dreidimensionalen Objekte, bestimmt werden.
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Auch kann beispielsweise eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft und/oder eine Anzahl von einer mit dem dreidimensionalen Objekt mit aufgebauten Stütz- und/oder Handhabungsstruktur zur abkühlinformationsseitigen Bestimmung der Mindestzeit der Abkühlung berücksichtigt werden. Da beispielsweise Stützstrukturen eine Verbindung des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts mit einer Bauplatte und/oder einem Objektträger einer additiven Fertigungsvorrichtung, insbesondere einer additiven Fertigungsanlage darstellt, kann diese Stütz- und/oder Handhabungsstruktur als Wärmebrücke für das wenigstens eine dreidimensionale Objekt fungieren. Folglich kann eine Berücksichtigung der Art und/oder Verortung etwaiger Stütz- und/oder Handhabungsstrukturen einen relevanten Einfluss auf die Abkühlung des verfestigten und unverfestigten Baumaterials aufweisen.
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Die Stützstruktur kann dazu dienen während oder nach dem additiven Aufbau das dreidimensionale Objekt gegenüber einem fertigungsanlagenseitigen und/oder baubehälterseitigen und/oder einem weiteren dreidimensionale Objekt und/oder einer Handlingstruktur abzustützen.
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Zwar ist grundsätzlich eine zentrale bzw. mittige Anordnung eines zu fertigenden dreidimensionalen Objekts innerhalb des Bauraumvolumens hinsichtlich der damit verbundenen langsamen Abkühlung und der hieraus resultierenden niedrigen Verzugserscheinung während der Abkühlung gewünscht. Jedoch kann im Falle eines oder mehrerer außermittig angeordneter dreidimensionaler Objekte eine schnellere Abkühlung erfolgen, sodass dieser abkühlungsspezifische Umstand entsprechend in der Abkühlinformation bzw. in dem Abkühlmodell zur Bestimmung der Mindestzeit der Abkühlung berücksichtigt werden kann. Damit kann ein Abstand des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts von dem Zentrum des Bauraums, insbesondere von dem Zentrum einer Baufläche, zur Genauigkeitssteigerung der abkühlinformationsseitig bzw. abkühlmodellseitig bestimmten Mindestzeit der Abkühlung herangezogen werden.
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Schließlich kann ein Abstand wenigstens zweier in einem Baujob aufgebauter dreidimensionaler Objekte zueinander zur Beeinflussung der Mindestzeitbestimmung vermittels der Abkühlinformation bzw. des Abkühlmodells verwendet werden.
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Als geometrisches Kriterium des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts, insbesondere sämtlicher dreidimensionaler Objekte eines Baujobs, zur Bestimmung der Mindestzeit der Abkühlung kann beispielsweise dessen bzw. deren (a) maximale Erstreckung und/oder (b) minimale Erstreckung und/oder (c) Volumen und/oder (d) Oberfläche und/oder (e) Volumen zu Oberfläche Verhältnis (f) Porosität und/oder (g) Homogenität einer Porosität verwendet werden. Eine hohe Porosität und/oder ein hoher Grad der Homogenität einer Porosität lässt auf eine große Oberfläche des verfestigten Baumaterials schließen, welche wiederum einen abkühlzeitreduzierenden Effekt aufweisen kann. Damit kann je höher die Porosität des verfestigten Baumaterials ist, eine kürzere Mindestzeit der Abkühlung angesetzt werden.
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Als das das Baumaterial des dreidimensionalen Objekts kennzeichnende Kriterium zur Bestimmung der Mindestzeit kann beispielsweise (a) die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit und/oder eine Volumenausdehnungskoeffizient und/oder ein Längenausdehnungskoeffizient und/oder eine spezifische Wärmekapazität, wenigstens eines Bestandteils, insbesondere sämtlicher Bestandteile, des Baumaterials und/oder (b) eine Homogenität eines wenigstens zwei unterschiedliche Bestandteile aufweisenden Baumaterials und/oder (c) eine Verteilung von wenigstens zwei unterschiedlichen Bestandteilen des Baumaterials des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts über dessen Volumen herangezogen werden. Beispielsweise können unterschiedliche Baumaterialien bereichsabhängig innerhalb eines Baujobs verwendet werden, so dass die damit ggf. einhergehende unterschiedliche Energieaufnahme und/oder Energieabgabe des jeweiligen Baumaterials in der Bestimmung der Mindesttemperatur zur Abkühlung des verfestigten und unverfestigten Baumaterials zur Steigerung der Genauigkeit der Mindesttemperatur herangezogen werden kann.
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Eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft einer Stütz- und/oder Handhabungsstruktur kann beispielsweise dessen bzw. deren (a) Oberfläche und/oder (b) Volumen und/oder (c) Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis (auch als A/V-Verhältnis bezeichnet) und/oder (d) Kontaktfläche zu wenigstens einem dreidimensionale Objekt und/oder (e) Kontaktfläche mit einem Randabschnitt des Bauraums und/oder (f) Porosität und/oder (g) eine Anzahl von Handling- und/oder Stützstrukturelementen umfassen. Die während des additiven Fertigungsverfahrens mit aufgebauten Handling- und/oder Stützstrukturen können einen Einfluss auf das Abkühlverhalten des verfestigten und/oder unverfestigten Baumaterials haben. So können beispielsweise Stützstrukturen aufgrund dessen Kontakts mit dem dreidimensionalen Objekt und zugleich mit beispielsweise einer Bauplatte als Wärmebrücken fungieren. Handlingstrukturen können beispielsweise als die Wärmeleitung beeinflussende Strukturen wirken, so können die Handlingstrukturen, je nach dessen Ausbildung ein Abkühlen des additiv aufgebauten dreidimensionalen Objekts fördern oder verzögern. Damit kann die Bestimmung der Mindestzeit genauer erfolgen, sofern handling- und/oder stützstrukturspezifische Aspekte in die die Mindestzeit der Abkühlung bestimmende Abkühlinformation bzw. in dem Abkühlmodell berücksichtigt werden. Eine Handlingstruktur kann beispielsweise ein im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens aus dem Baumaterial mit aufgebautes Handhabungselement (Handlingstruktur) umfassen, welches zur, insbesondere späteren, Handhabung des dreidimensionalen Objekts dient (Greifen, Transportschutz o. Ä.). Hierbei kann dieses Handhabungselement in Kontakt mit dem wenigstens einem dreidimensionalen Objekt stehen oder von diesem beabstandet vorliegen. Beispielsweise ist das Handhabungselement über eine Sollbruchstelle mit dem dreidimensionalen Objekt verbunden und wird in einem späteren Verfahrensschritt von dem dreidimensionalen Objekt getrennt.
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Alternativ oder zusätzlich kann ein Handhabungselement als von dem dreidimensionalen Objekt beabstandetes, jedoch das dreidimensionalen Objekts „gefangen“ haltendes Handhabungselement ausgebildet sein, sodass bei einem Greifen des Handhabungselements zwangsläufig das wenigsten eine dreidimensionale Objekt mittelbar mit gegriffen wird. Beispielsweise ist ein derartiges Handhabungselement als ein das wenigstens eine dreidimensionale Objekt umschließender Behälter ausgebildet. Auch in diesem Fall kann das Handhabungselement vor dem bestimmungsgemäßen Gebrauch des dreidimensionalen Objekts von letzterem getrennt werden.
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Zur Bestimmung der Mindestabkühlzeit kann die Abkühlinformation beispielsweise eine erste Eingangsgröße mit einer ersten Gewichtung und eine weitere, von der ersten Eingangsgröße unterschiedliche Eingangsgröße mit einer weiteren, von der ersten Gewichtung unterschiedlichen Gewichtung berücksichtigen. Die unterschiedlichen Eingangsgrößen können eine unterschiedliche Signifikanz bzw. einen unterschiedlichen Grad der Auswirkung auf die Bestimmung einer Mindestzeit der Abkühlzeit aufweisen, sodass diese in unterschiedlicher Ausprägung bzw. unterschiedlichem Berücksichtigungsgrad durch die Verwendung einer Gewichtung bzw. eines entsprechenden Faktors berücksichtigt werden. Bevorzugt ist der Unterschied der Gewichtung der ersten und der weiteren Eingangsgröße von einem Wert der ersten und/oder der weiteren und/oder einer dritten Eingangsgröße abhängig. Mit anderen Worten kann die Gewichtung wenigstens zweier Eingangsgrößen relativ zueinander von einer dritten Eingangsgröße abhängen, sodass eine starrer Gewichtungsunterschied verhindert wird. Beispielsweise kann bei der Verwendung eines ersten Baumaterials in einem ersten additiven Fertigungsverfahren ein erster Gewichtungsunterschied zwischen zwei Eingangsgrößen angewendet werden und im Falle der Verwendung eines weiteren, von dem ersten Baumaterial unterschiedlichen Baumaterials ein von dem ersten Gewichtungsunterschied unterschiedlicher Gewichtungsunterschied angewendet werden. Diese Maßnahme führt wiederum zu einer genaueren Bestimmbarkeit der Mindestzeit der Abkühlung vermittels der Abkühlinformation bzw. des Abkühlmodells.
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Es kann beispielsweise eine Abkühlinformation verwendet werden, die zur Bestimmung der Mindestzeit historische Daten vorheriger additiver Fertigungsverfahren berücksichtigt. Insbesondere berücksichtigt die Abkühlinformation zur Bestimmung der Mindestzeit vorherige Baujobs mit ähnlichen oder identisch ausgebildeten dreidimensionalen Objekten. Die historischen Daten können hierbei statisch bzw. im Vorfeld als gegeben verwendete Beziehungen zwischen einzelnen Eingangsgrößen bzw. deren relative Gewichtung zueinander im weiteren Ausführen von Baujobs weiter in der Genauigkeit verbessern bzw. schärfen. Hierbei kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Datenbasis bzw. die Gewichtung der Eingangsgrößen nicht durch jeden weiteren Baujob eine Veränderung erfährt, sondern es kann beispielsweise anhand der Identifizierung ähnlicher oder identischer Baujobs im Ähnlichkeits- oder Identitätsfall des Baujobs erkannt werden und im Falle ähnlicher oder identischer Baujobs die aus den jeweiligen Baujobs gewinnbaren Temperaturinformationen zur Veränderung der Abkühlinformation bzw. des Abkühlmodells herangezogen werden.
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Eine Abkühlinformation, insbesondere ein Abkühlmodell, kann beispielsweise zur Bestimmung der Mindestzeit eine Datenanalysemethode berücksichtigen, insbesondere umfasst die Datenanalysemethode (a) eine lineare Progression und/oder (b) ein Gaußsches Regressionsmodell und/oder (c) ein neuronales Netz und/oder (d) ein maschinelles Lernen Modell. Durch Verwendung von statistischen Methoden kann im Falle von im Laborstadium ausgeführten Baujobs und/oder von regulären Baujobs die mit einer Analyse der Bauteile gekoppelt sind, ausgeführt werden. Mit im Laborstadium ausgeführte Baujobs können Baujobs gemeint sein, welche nicht zwingend für eine spätere, das dreidimensionale Objekt als Bauteil verwendendes Vorhaben additiv aufgebaut werden. Vielmehr kann das für das Laborstadium aufgebaute dreidimensionale Objekt eine insbesondere hinsichtlich dessen Abkühlverhaltens kritische Geometrie aufweisen und nach dessen Herstellung einer Bewertung bzw. einer Analyse unterzogen werden. Hierzu kann das für ein Laborstadium aufgebaute Objekt derart aufgebaut sein, dass sich dieses gut hinsichtlich dessen thermischen Abkühlverhaltens analysieren lässt, z. B. Öffnungen oder Strukturen zur Durchführung bzw. zur Aufnahme einer Temperatursonde. Z. B. kann die Temperatur des Bauteils nach dem Verstreichen der Mindestzeit gemessen werden und ein Vergleich der Ist-Temperatur mit einer für die Mindestzeit spezifischen Soll-Temperatur erfolgen. Wenn der Vergleich beispielsweise ergibt, dass die Ist-Temperatur signifikant unterhalb der Soll-Temperatur liegt, kann daraus geschlossen werden, dass die Mindestzeit als zu großzügig bemessen anzusehen ist. In einem erneuten Baujob könnte ein vergleichbares oder identisches Bauteil aufgebaut und mit einer verkürzten Mindestzeit abgekühlt und dann wiederum mit der Soll-Temperatur verglichen werden. Folglich können auf diese Weise genauere bzw. realitätsnähere Abkühlinformationen zur Bestimmung der Mindestzeit bestimmt werden.
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Alternativ zu einem Laboraufbau bzw. einem Referenzwertermittlungsaufbau kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass das wenigsten eine aufgebaute dreidimensionale Objekt ein regulär aufgebautes dreidimensionale Objekt ist und nicht in erster Linie für einen der Analyse der Abkühlinformation dienenden Zweck aufgebaut wird. Mit anderen Worten kann im regulären Betrieb der additiven Fertigungsvorrichtung, insbesondere Fertigungsanlage, kontinuierlich oder auszugsweise das oder die darin hergestellten dreidimensionalen Objekte einer Analyse bzgl. dessen Temperatur nach der Mindestzeit betrachtet werden und ggf. eine Berücksichtigung dieser ermittelten Informationen in die Abkühlinformation, insbesondere in das Abkühlmodell, einfließen, um die Genauigkeit der Bestimmung der Mindestzeit der Abkühlung für spätere, insbesondere ähnliche oder identische, Baujobs zu erhöhen.
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Während und/oder nach dem additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere während und/oder nach dem Baujob, kann beispielsweise eine Temperaturinformation, welche eine Temperatur des Bauraums und/oder einer Bauraumoberfläche und/oder einer Bauplattform und/oder wenigstens eines dreidimensionalen Objekts und/oder wenigstens einer Stütz- und/oder Handlingstruktur umfasst, erfasst und die Temperaturinformation kann bei der Bestimmung der Mindestzeit durch die Abkühlinformation berücksichtigt werden. Damit können unterschiedliche Temperaturinformation bzw. Temperaturwerte einen Rückschluss auf das Abkühlverhalten des in einem Baujob hergestellten dreidimensionalen Objekts ermöglichen, wobei die Information zu diesem Abkühlverhalten in der späteren Bestimmung von Mindestzeiten vermittels der Abkühlinformation, insbesondere des Abkühlmodells, einfließen kann. Hierbei kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Temperaturinformation anhand eines fertigungsanlagenseitig und/oder bauraumseitig und/oder entpackungsvorrichtungsseitig bereitgestellten Temperaturerfassungseinrichtung ermittelbar bzw. erzeugbar ist.
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Es ist möglich, dass ein Freigabesignal über eine Ausgabeeinheit ausgegeben wird, wenn die durch die Abkühlinformation bestimmte Mindestzeit erreicht wurde. Bevorzugt erfolgt eine akustisch und/oder haptisch und/oder visuell wahrnehmbare Ausgabe des Freigabesignals. Die Ausgabeeinheit kann beispielsweise fertigungsvorrichtungsseitig, insbesondere fertigungsanlagenseitig und/oder baubehälterseitig, und/oder entpackungsvorrichtungsseitig und/oder an einer mobilen Kommunikationseinrichtung angeordnet oder ausgebildet sein. Die Kommunikationseinrichtung kann beispielsweise ein mobiles Endgerät umfassen, z. B. ein portables elektronisches Endgerät bzw. ein elektronisches Mobilgerät. Insbesondere kann das portable elektronische Endgerät als Smartphone, Tabletcomputer und/oder tragbarer Computer (z.B. Laptop) ausgebildet sein.
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Das Freigabesignal kann beispielsweise dabei den Zeitpunkt des erreichten Soll-Temperaturwerts des dreidimensionalen Objekts anhand der Überwachung der Mindestzeit angeben. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Freigabesignal und/oder ein weiteres Signal einen Hinweis ausgibt, welcher zeitlich vor und/oder nach dem Verstreichen der Mindestzeit erfolgt und damit auf ein in, insbesondere naher, Zukunft bevorstehendes Verstreichen der Mindestzeit hinweist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Freigabeinformation und/oder ein weiteres Signal einen Hinweis ausgeben, der zeitlich nach der Mindestzeit erfolgt und damit auf eine bereits zeitlich einem definierten Zeitraum zurückliegende, verstrichene Mindestzeit hinweist.
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Das additive Verfahren zur Herstellung des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts kann beispielsweise ein Stereolithografie-Verfahren (SL) und/oder ein Laser-Sintern-Verfahren (LS) und/oder ein Laser-Strahlschmelzverfahren (LBM) und/oder insbesondere ein selektives Laserschmelzverfahren (SLM) und/oder ein Elektronen-Strahlschmelzverfahren (EBM) und/oder ein Fused Layer Modelling/Manufacturingverfahren (FLM/FFF) und/oder ein Fused Deposition Modelling Verfahren (FDM) und/oder ein Multi-Jet Modelling-Verfahren (MJM) und/oder ein Poly-Jet Modelling-Verfahren (PJM) und/oder ein Binder Jetting-Verfahren Das Digital Light Synthesis (DLS) bildet eine Sonderform des CLIP-Verfahrens, wobei das DLS-Verfahren ein CLIP-Verfahren mit „programmierbaren“ Materialien kombiniert, wobei die chemischen Verbindungen der Materialien nach dem 3D-Druck durch Hitze verändert werden können. Das Laser-Strahlschmelzen umfasst auch das als selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting = SLM) bezeichnete Verfahren, bei welchem Metallpulver unter Einwirkung eines Laserstrahls aufgeschmolzen bzw. umgeschmolzen wird.
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Es kann beispielsweise ein Baumaterial verwendet werden, das zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, (a) aus Kunststoff, insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff, und/oder (b) aus Metall, insbesondere Stahl oder Aluminium, und/oder (c) aus einem Kunstharz besteht. Z. B. wird als Baumaterial ein Baumaterial verwendet, das zumindest teilweise, insbesondere vollständig, ein Polyamid umfasst, bevorzugt kann das Baumaterial zumindest teilweise, insbesondere vollständig, Polyamid 11 oder Polyamid 12 umfassen. Die beiden letztgenannten Materialien können beispielsweise als Solltemperatur, ab welche diese sicher handhabbar bzw. weiterverarbeitbar sind einen Wert von unter 65°C, bevorzugt von unter 60°C, besonders bevorzugt von unter 55°C, höchst bevorzugt von unter 50°% aufweisen. Gleichzeitig kann die Soll-Temperatur einen Wert von größer 40°C, bevorzugt von größer 45°C, besonders bevorzugt von größer 48°C aufweisen. Damit kann als Mindestzeit der Abkühlung für entsprechende Materialien eine Abkühlzeit bis zum Erreichen der entsprechenden Soll-Temperaturwerte (z. B. 50°C) herangezogen werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Baumaterial eine polymerisierbare Eigenschaft aufweisen, z. B. ist das Baumaterial durch Photopolymerisation aushärtbar bzw. verfestigbar. Damit kann beispielsweise ein Baumaterial verwendet werden, welches in einem ersten Verfahrensschritt (Vorverfestigung) im Zuge eines additiven Fertigungsverfahrens seine, insbesondere wesentliche, geometrische Form erlangt und in einem zeitlich späteren Verfahrensschritt (Nachverfestigung) im Zuge der Einwirkung von thermischer Energie eine weitergehende Verfestigung und/oder eine Material- bzw. Bauteileigenschaftsveränderung derart erfährt, dass erst nach dem Durchlaufen des späteren Verfahrensschritts die für den bestimmungsgemäßen Gebrauch des dreidimensionalen Objekts vorgesehenen Material- bzw. Bauteileigenschaften vorliegen.
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Neben dem Verfahren zur additiven Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, betrifft die Erfindung auch ein dreidimensionales Objekt, bevorzugt Fahrzeugbauteil, das gemäß einem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt wurde oder auch eine additive Fertigungsvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts nach einem hierin beschriebenen Verfahren.
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Die additive Fertigungsvorrichtung kann beispielsweise einen lösbar in oder an einer additiven Fertigungsanlage ein- oder ansetzbaren, einen Bauraum umfassenden Baubehälter bzw. eine Bauraumeinheit umfassen. Dieser Baubehälter kann beispielsweise während des additiven Aufbaus des dreidimensionalen Objekts als aktive Baukammer dienen. Nachdem der additive Aufbau des dreidimensionalen Objekts abgeschlossen ist, kann der Baubehälter beispielsweise aus der Fertigungsanlage entnommen, z. B. herausgefahren, werden. Ein weiterer Baubehälter kann als Ersatz des entnommenen Baubehälters in die Fertigungsanlage eingesetzt werden, sodass das hergestellte dreidimensionale Objekt in dem aus der Fertigungsanlage entnommenen Baubehälter an einem von der Fertigungsanlage beabstandeten Ort abkühlen kann und währenddessen bereits vermittels des weiteren Baubehälters ein neuer Baujob in der Fertigungsanlage ausgeführt werden kann.
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Sämtliche Vorteile, Einzelheiten, Ausführungen und/oder Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auf das erfindungsgemäße dreidimensionale Objekt und/oder auf die erfindungsgemäße additive Fertigungsvorrichtung übertragbar bzw. anzuwenden.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1 ein Prinzipdiagramm mehrerer Abkühlprozesse von additiv aufgebauten dreidimensionalen Objekten betreffend den Zusammenhang von Bauhöhe und Abkühlverhalten (Abkühlzeit) gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 ein Prinzipdiagramm mehrerer Abkühlprozesse von additiv aufgebauten dreidimensionalen Objekten betreffend den Zusammenhang von Packungsdichte und Abkühlverhalten (Abkühlzeit) gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 ein Prinzipdiagramm mehrerer Abkühlprozesse von additiv aufgebauten dreidimensionalen Objekten betreffend den Zusammenhang von Bauhöhe, Packungsdichte und Abkühlverhalten (Abkühlzeit) gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 ein Prinzipdiagramm einer Messreihe bestehend aus 5 Messwerten mit einer Gegenüberstellung der tatsächlichen Messwerte und der durch Gaußsche Progression aus den Messwerten ermittelten vorhergesagten/bestimmten Werte;
- 5 ein Prinzipdiagramm einer Messreihe bestehend aus 15 Messwerten mit einer Gegenüberstellung der tatsächlichen Messwerte und der durch Gaußsche Progression aus den Messwerten ermittelten vorhergesagten/bestimmten Werte.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Objekts 1, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, in einem Bauraum durch sukzessive selektive Verfestigung eines, insbesondere pulverförmigen, Baumaterials zur Bildung des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts 1, umfassend folgende Verfahrensschritte: (a) Aufbauen 101 des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts 1, (b) Entfernen 102 von unverfestigten Baumaterial von dem wenigstens einen dreidimensionalen Objekt 1 und (c) Entnehmen 103 des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts 1 aus dem Bauraum, wobei das Entfernen 102 des unverfestigten Baumaterials von dem wenigstens einen dreidimensionalen Objekt 1 und/oder das Entnehmen 103 des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts 1 aus dem Bauraum erst ausgeführt wird, wenn eine Mindestzeit 230 verstrichen ist. Die Mindestzeit 230 wird in Abhängigkeit von wenigstens einer das Abkühlverhalten des dreidimensionalen Objekts 1 und/oder das Abkühlverhalten des das dreidimensionale Objekt 1 umgebenden Baumaterials beschreibenden Abkühlinformation 220, insbesondere eines Abkühlmodells, bestimmt, wobei die vermittels der Abkühlinformation 220 bestimmte Mindestzeit 230 von zumindest einer Eingangsgröße 210 abhängig ist, wobei die Eingangsgröße 210 (a) wenigstens einen Parameter 211 des additiven Fertigungsverfahrens und/oder (b) wenigstens ein geometrisches Kriterium 212 des dreidimensionalen Objekts 1 und/oder (c) wenigstens ein das Material des dreidimensionalen Objekts 1 kennzeichnendes Kriterium 213 umfasst, vgl. 6.
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In 7 ist der grundlegende Verfahrensablauf dargestellt, dabei wird im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens ein dreidimensionales Objekt 1 in seiner wesentlichen Form hergestellt. Unmittelbar nach dem Aufbau 101 des dreidimensionale Objekt 1 liegt dieses i. d. R. in einem von weiterem verfestigten (z. B. Stütz- und/oder Handlingstrukturen) und unverfestigten Baumaterial 20 umgebenen Zustand 30 vor. In einem zeitlich danach liegenden Schritt wird das dreidimensionale Objekt 1 von dem an diesem benachbart liegenden unverfestigten Baumaterial und ggf. befestigten Baumaterial (z. B. Stütz- und/oder Handlingstrukturen) 20 befreit bzw. es wird das nicht zum dreidimensionale Objekt 1 gehörende Baumaterial 20 entfernt, vgl. Schritt 102. Danach kann das dreidimensionale Objekt 1 aus dem Bauraum entnommen werden, vgl. Schritt 103. In der 7 ist auch ein hierzu alternativer Weg beschrieben, wonach nach dem Aufbau 101 des dreidimensionalen Objekts 1 ggf. mit dem an diesem befindlichen (verfestigten und/oder unverfestigten) Baumaterial 20, d. h. zusammenliegenden Zustand 30 von dreidimensionale Objekt 1 und verfestigten und unverfestigten Baumaterial 20, aus dem Bauraum entnommen (Schritt 102) wird und danach ein Entfernen 103 des unverfestigten und/oder verfestigten, nicht zum dreidimensionale Objekt 1 zuzuordnenden Baumaterial erfolgt. Schließlich ist es möglich, dass vor und nach dem Entnehmen 102 des dreidimensionale Objekt 1 ein Entfernen 103 von unverfestigten und/oder verfestigten, nicht zum dreidimensionale Objekt 1 zuzuordnenden Baumaterials 20 von dem aufgebauten dreidimensionalen Objekt 1 erfolgt.
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Nachdem das dreidimensionale Objekt 1 von verfestigten und/oder unverfestigten Baumaterial befreit wurde liegt das dreidimensionale Objekt 1 als freigelegtes dreidimensionale Objekt 1, vgl. Schritt 104 vor. Optional kann das freigelegte dreidimensionale Objekt 1 (s. Schritt 104) in einem nachgelagerten Schritt 105 einem Nachbehandlungsprozess unterzogen werden. Hierbei kann das dreidimensionale Objekt 1 beispielsweise vermittels thermischer Energie nachverfestigt und/oder in seinen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften derart verändert werden, derart dass die Zieleigenschaften des dreidimensionalen Objekts 1 erreicht werden. Insbesondere kann ein Nachbehandlungsprozess (Schritt 105) eine thermische Nachverfestigung eines während des additiven Aufbaus 101 durch Polymerisation formverfestigten dreidimensionalen Objekts 1 vorsehen.
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Es ist möglich, dass als Parameter 211 des additiven Fertigungsverfahrens zur Bestimmung der Mindestzeit 230 (a) die Bauzeit und/oder (b) die Intensität eines Verfestigungsmittels, insbesondere einer Energiestrahlung, und/oder (c) die Bauhöhe eines Baujobs, d. h. die Baujobhöhe, und/oder (d) die Packungsdichte des oder der in dem Bauraum aufgebauten dreidimensionalen Objekt(e) 1 und/oder (e) die Bauraumtemperatur während des additiven Fertigungsverfahrens und/oder (f) Baumaterialausgangstemperatur und/oder (g) Anzahl von Baumaterialschichten, welche ein verfestigtes Baumaterial umfassen und/oder (h) Anzahl von Baumaterialsichten des Baujobs insgesamt und/oder (i) Anzahl der dreidimensionalen Objekte 1 während des Baujobs und/oder (j) physikalische und/oder chemische Eigenschaften von einer mit dem dreidimensionale Objekt 1 mit aufgebauten Stütz- und/oder Handhabungsstruktur (k) und/oder Abstand des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts 1 von dem Zentrum des Bauraums, insbesondere von dem Zentrum einer Baufläche, und/oder (I) Abstand wenigstens zweier in einem Baujob aufgebauter dreidimensionaler Objekte verwendet wird bzw. werden.
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Als geometrisches Kriterium 212 des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts 1, insbesondere sämtlicher dreidimensionaler Objekte 1 eines Baujobs, zur Bestimmung der Mindestzeit 230 kann beispielsweise dessen bzw. deren (a) maximale Erstreckung und/oder (b) minimale Erstreckung und/oder (c) Volumen und/oder (d) Oberfläche und/oder (e) Volumen zu Oberfläche Verhältnis und/oder (f) Porosität und/oder (g) Homogenität einer Porosität verwendet wird bzw. werden.
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Als das das Baumaterial des dreidimensionalen Objekts 1 kennzeichnende Kriterium 213 zur Bestimmung der Mindestzeit 230 kann beispielsweise (a) die physikalische und/oder chemische Eigenschaft, insbesondere (aa) die Wärmeleitfähigkeit und/oder (ab) der Volumenausdehnungskoeffizient und/oder (ac) der Längenausdehnungskoeffizient und/oder (ad) die spezifische Wärmekapazität, wenigstens eines Bestandteils, insbesondere sämtlicher Bestandteile, des Baumaterials, und/oder (b) die Homogenität eines wenigstens zwei unterschiedliche Bestandteile aufweisenden Baumaterials und/oder (c) die Verteilung von wenigstens zwei unterschiedlichen Bestandteilen des Baumaterials des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts 1 über dessen Volumen verwendet werden.
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Die physikalische und/oder chemische Eigenschaft und/oder Anzahl einer Stütz- und/oder Handhabungsstruktur kann beispielsweise dessen bzw. deren (a) Oberfläche und/oder (b) Volumen und/oder (c) Oberfläche zu Volumen Verhältnis und/oder (d) Kontaktfläche zu wenigstens einem dreidimensionale Objekt und/oder (e) Kontaktfläche mit einem Randabschnitt des Bauraums und/oder (f) Porosität umfassen.
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Zur Bestimmung der Mindestabkühlzeit 230 kann die Abkühlinformation 220 eine erste Eingangsgröße 210 mit einer ersten Gewichtung und eine weitere, von der ersten Eingangsgröße 210 unterschiedliche Eingangsgröße mit einer weiteren, von der ersten Gewichtung unterschiedlichen Gewichtung berücksichtigen. Bevorzugt ist der Unterschied der Gewichtung der ersten und der weiteren Eingangsgröße 210 von einem Wert der ersten und/oder der weiteren und/oder einer dritten Eingangsgröße abhängig.
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Eine Abkühlinformation 220 kann zur Bestimmung der Mindestzeit 230 zumindest teilweise, insbesondere vollständig, historische Daten vorheriger additiver Fertigungsverfahren berücksichtigen, insbesondere berücksichtigt die Abkühlinformation 220 zur Bestimmung der Mindestzeit 230 vorherige Baujobs ähnlicher oder identisch ausgebildeter dreidimensionaler Objekte 1.
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Eine Abkühlinformation 220 kann zur Bestimmung der Mindestzeit 230 eine Datenanalysemethode berücksichtigen, insbesondere umfasst die Datenanalysemethode eine lineare Progression 221 und/oder eine gaußsche Regression 222 und/oder ein neuronales Netz 223 und/oder ein maschinelles Lernen Modell 224, vgl. 6. Anhand der Datenanalysemethode können im Labor- bzw. Prüfstandsaufbau erzeugte Daten zu thermisch analysierten Baujobs in die Abkühlinformation 220 zu einer genaueren Bestimmung der Mindestzeit 230 der Abkühlung des dreidimensionale Objekt 1 einfließen.
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In den 1 bis 3 sind beispielhafte Diagramme von historischen Daten dargestellt, welche in ausgeführten additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten gewonnen wurden. Hierbei wurde die Abkühlzeit (in °C auf der Abszisse) von unterschiedlichen Objekten vermittels einer Temperaturerfassung, z. B. vermittels eines in dem wenigstens einen dreidimensionalen Objekt angeordnete Temperatursensor, bis zum Erreichen eines vordefinierten Temperaturwerts, hier bei Erreichen von 50°C, beobachtet bzw. überwacht und in Zusammenhang mit der Baujobhöhe bzw. mit der Bauhöhe des Baujobs gesetzt, vgl. 1. Mit anderen Worten zeigt die 1 die Abkühldauer bzw. die Abkühlzeit (in Stunden) bis zu dem Erreichen von 50°C des dreidimensionalen Objekts 1 über die Baujobhöhe. Gemäß 2 wurde wiederum die Abkühlzeit bis zum Erreichen von 50°C an der Abszisse angetragen und in Zusammenhang mit der Packungsdichte des oder der in einem Bauraum befindlichen dreidimensionalen Objekte (Ordinate) gesetzt. Mit anderen Worten zeigt die 1 die Abkühldauer bzw. die Abkühlzeit (in Stunden) bis zu dem Erreichen von 50°C des dreidimensionalen Objekts 1 über die Packungsdichte des Baujobs. Im direkten Vergleich der 1 und 2 ist ersichtlich, dass die Bauhöhe bzw. die Baujobhöhe einen stärkeren Einfluss auf die Mindestzeit zum Erreichen des 50°C-Werts hat als die Packungsdichte. Die in die 1 und 2 gezeichnete, von den Messpunkten abgeleitete Linie kann in einer mathematischen Funktion ausdrückt werden, welche einen Bestandteil der Abkühlinformation 220 bilden kann, beispielhaft bildet die in dort dargestellte Linie eine Regressionsgerade. In den 1 und 2 sind die Datenpunkte bzw. die Messwerte als Kreise dargestellt.
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Gemäß 3 sind die Packungsdichte, die Abkühlzeit und die Baujobhöhe gemeinsam in einem perspektivischen Diagramm zusammengefasst. Diese Information des Diagramms kann in die Abkühlinformation 220 einfließen und zur realeren Bestimmung der Mindestzeit 230 der Abkühlung des dreidimensionalen Objekts 1 beitragen. Da die Packungsdichte und die Baujobhöhe bereits vor dem Start eines Baujobs festlegbar bzw. mit hoher Exaktheit bestimmbar sind, kann mit dem vorliegenden Verfahren zu einem entsprechend frühen Zeitpunkt eine relativ genaue bzw. eine zumindest annähernd reale Abschätzung der Mindestabkühlzeit durch die Abkühlinformation bestimmt werden. Dies hat den Vorteil, dass eine Planung der Auslastung einer additiven Fertigungsvorrichtung und insbesondere der Bestandteile der additiven Fertigungsvorrichtung wie der Fertigungsanlage und ggf. einem oder mehrerer Baubehälter genauer und straffer ausführbar ist. Damit kann der gesamte Herstellungsprozess einer Vielzahl an, über mehrere Baujobs verteilte dreidimensionaler Objekte 1 in zeitlicher Hinsicht optimiert und innerhalb einer kürzeren Gesamtzeit ausgeführt werden.
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Gemäß der 4 und 5 ist ersichtlich, dass die Anwendung eines gaußschen Regressionsmodells insbesondere bei steigender Anzahl der Messwerte eine gute Genauigkeit zur Bestimmung der Abkühlung des dreidimensionale Objekt 1 mit sich bringt. So ist der als Länge der vertikalen Linie zwischen dem gemessenen Mindestzeitwert 110 (gemessener Wert bzw. tatsächlicher Wert) und dem anhand der Abkühlinformation bestimmten Mindestzeitwert 111 (vorhergesagter Wert bzw. prognostizierter Wert) für die Abkühlung des dreidimensionale Objekt 1 dargestellte Fehler 112 signifikant geringer bei steigender Anzahl der herangezogenen Messwerte. Der Fehler 112 ist in den 4 und 5 jeweils als vertikal verlaufende Verbindungslinie zwischen dem gemessenen bzw. tatsächlichen und als ausgefüllter Kreis dargestellten Wert (Mindestzeitwert 110) und dem prognostizierten bzw. vorhergesagten und als Kreisring dargestellten Wert (Mindestzeitwert 111) dargestellt. Die 4 und 5 zeigen jeweils ein Gaußsches Regressionsmodell im Vergleich zu gemessenen Werten. Die an der Abszisse der in den 4 und 5 gezeigten Diagramme gibt jeweils die Abkühlzeit des vorhergesagten Werts im Vergleich zu dem tatsächlichen Wert an.
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Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass eine gezielte und wirtschaftliche Auslastung der additiven Fertigungsvorrichtung ausführbar ist, hierbei kann durch das hierin beschriebene Verfahren und die realere Abschätzbarkeit der notwendigen Mindestzeit der Abkühlung des oder der dreidimensionalen Objekt(e) 1 eine Planung dahingehend optimiert werden, dass die Baujobs durch die Mitberücksichtigung der genaueren Abkühlzeit bzw. Mindestzeit 230 der Abkühlung derart gelegt bzw. getimt werden können, dass die Endzeiten der Mindestzeit 230 der Abkühlung so liegen, dass die Schicht bzw. der Abschnitt eines Arbeitstags der Bedienpersonen der additiven Fertigungsvorrichtung berücksichtigt wird. So kann im Falle eines prognostizierten Endes eines Baujobs anhand der bestimmten Mindestzeit 230 knapp nach dem Ende eines typischen Arbeitsabschnittsendes einer Bedienperson als Hinweis ausgegeben werden und insbesondere einer Bedienperson aktiv angeboten werden, einen anderen Baujob auszuführen, dessen Mindestzeit 230 der Abkühlung des dreidimensionalen Objekts 1 entsprechend weiter zeitlich entfernt von dem Arbeitsabschnittsendes der Bedienperson liegt, beispielsweise weiter in den Abwesenheitszeitraum der Bedienperson hinein nach dessen Arbeitsschluss fällt. Damit kann gewährleistet werden, dass insbesondere der personell nicht besetzte Zeitraum möglichst effektiv ausgenutzt werden kann. Die zeitlich kürzeren Baujobs oder andersliegenden Baujobs können beispielsweise unter Berücksichtigung der Mindestzeit 230 der Abkühlung dann zu anderen Startzeiten angeboten werden.
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Während und/oder nach dem additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere während und/oder nach dem Baujob, kann beispielsweise eine Temperaturinformation, welche eine Temperatur des Bauraums und/oder einer Bauraumoberfläche und/oder einer Bauplattform umfasst, erfasst werden und diese Temperaturinformation bei der Bestimmung der Mindestzeit 230 durch die Abkühlinformation 220 Berücksichtigung finden.
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Ein Freigabesignal 240 kann beispielsweise über eine Ausgabeeinheit ausgegeben werden, wenn die durch die Abkühlinformation 220 bestimmte Mindestzeit 230 erreicht wurde bzw. wenn ein von der bestimmten Mindestzeit 230 in Abhängigkeit gesetzter Zeitpunkt erreicht wurde. Bevorzugt erfolgt eine akustisch und/oder haptisch und/oder visuell wahrnehmbare Ausgabe des Freigabesignals 240.
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Das additive Fertigungsverfahren zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts 1 kann beispielsweise ein Stereolithografie-Verfahren (SL) und/oder ein Laser-Sintern-Verfahren (LS) und/oder ein Laser-Strahlschmelzverfahren (LBM) und/oder ein selektives Laserschmelzverfahren (SLM) und/oder ein Elektronen-Strahlschmelzverfahren (EBM) und/oder ein Fused Layer Modelling/Manufacturingverfahren (FLM/FFF) und/oder ein Fused Deposition Modelling Verfahren (FDM) und/oder ein Multi-Jet Modelling-Verfahren (MJM) und/oder ein Poly-Jet Modelling-Verfahren (PJM) und/oder ein Binder Jetting-Verfahren und/oder ein Layer Laminated Manufacturing-Verfahren (LLM) und/oder ein Digital Light Processing-Verfahren (DLP) und/oder ein Thermotransfer-Sintern-Verfahren (TTS) und/oder ein Digital Light Processing-Verfahren (DLP) und/oder ein Digital Light Synthesis-Verfahren (DLS) sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Baumaterial verwendet werden, das zumindest abschnittsweise, bevorzugt vollständig, (a) aus Kunststoff, insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff, und/oder (b) aus Metall, insbesondere Stahl oder Aluminium, und/oder (c) aus einem Kunstharz besteht. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Bestimmung der Mindestzeit 230 der Abkühlung von vermittels eines ein Polymer, insbesondere Polyamid, besonders bevorzugt Polyamid PA11 oder PA12, verwendenden additiven Fertigungsverfahren. Alternativ oder zusätzlich kann das Baumaterial des additiven Fertigungsverfahrens in einer pulverförmigen und/oder flüssigen Form vorliegen bzw. in pulverförmiger und/oder flüssigen Form dem Verfestigungsprozess/Aufbauprozess 101 zugeführt werden.
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Bevorzugt wird ein dreidimensionale Objekt 1, bevorzugt ein Fahrzeugbauteil, besonders bevorzugt ein Kraftfahrzeugbauteil, in einem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt.
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Ergänzend betrifft die Erfindung eine additive Fertigungsvorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts 1 nach einem hierin beschriebenen Verfahren. Bevorzugt umfasst die additive Fertigungsvorrichtung einen lösbar in oder an einer additiven Fertigungsanlage ein- oder ansetzbaren, einen Bauraum umfassenden Baubehälter.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- dreidimensionale Objekt
- 20
- weiterer verfestigtes und unverfestigten Baumaterial
- 30
- Zustand von 1 und 20
- 101
- Aufbau
- 102
- Entfernen
- 103
- Entnehmen
- 104
- Schritt freigelegtes dreidimensionales Objekt
- 110
- gemessener Mindestzeitwert
- 111
- bestimmter Mindestzeitwert
- 112
- Fehler
- 210
- Eingangsgröße
- 211
- Parameter des additives Fertigungsverfahrens
- 212
- geometrisches Kriterium von 1
- 213
- Material von 1
- 220
- Abkühlinformation
- 221
- lineare Progression
- 222
- gaußsche Regression
- 223
- neuronales Netz
- 224
- maschinelles Lernen Modell
- 230
- Mindestzeit der Abkühlung
- 240
- Freigabesignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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