DE102020111747A1 - Process and device for additive manufacturing of components - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum additiven Herstellen von Bauteilen angegeben. Dabei wird zumindest ein Baujob unter Fertigung zumindest eines Bauteils durchgeführt, wobei ein Filament einer Düse zugeführt und in der Düse geschmolzen wird. Die Fördergeschwindigkeit des Filaments wird während des Baujobs gemessen und es werden entsprechende erste Messdaten generiert. Weiterhin wird die Temperatur der Düse während des Baujobs gemessen und entsprechende zweite Messdaten generiert. Die ersten und der zweiten Messdaten werden an eine Recheneinrichtung mit implementierter künstlicher Intelligenz übertragen und es wird ein Baujobbewertungsalgorithmus mithilfe der künstlichen Intelligenz erstellt bzw. trainiert. Des Weiteren wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.A method for the additive manufacturing of components is specified. In this case, at least one construction job is carried out with the production of at least one component, a filament being fed to a nozzle and being melted in the nozzle. The conveying speed of the filament is measured during the build job and corresponding first measurement data are generated. Furthermore, the temperature of the nozzle is measured during the build job and corresponding second measurement data is generated. The first and the second measurement data are transmitted to a computing device with implemented artificial intelligence and a construction job evaluation algorithm is created or trained with the aid of the artificial intelligence. Furthermore, a device for carrying out the method is specified.

Description

Es wird ein Verfahren zur additiven Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Fahrzeugbauteilen, angegeben. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben.A method for the additive manufacture of components, in particular vehicle components, is specified. Furthermore, a device for carrying out the method is specified.

Das Schmelzschichtverfahren (Fused Filament Fabrication, FFF bzw. Fused Deposition Modeling, FDM) als Verfahren für die generative Fertigung von Bauteilen findet sowohl im industriellen als auch im privaten Einsatz eine breite Anwendung. Gründe hierfür sind die einfache Handhabung, breite Materialauswahl und eine günstige und erschwingliche Anlagentechnik.The melt layer process (Fused Filament Fabrication, FFF or Fused Deposition Modeling, FDM) as a process for the additive manufacturing of components is widely used in both industrial and private use. The reasons for this are simple handling, a wide range of materials and inexpensive and affordable system technology.

Im Bereich des Schmelzschichtverfahrens als additives Fertigungsverfahren ist die Verwendung von Sensoren im derzeitigen Stand der Technik nur gering ausgeprägt.In the area of the melt layer process as an additive manufacturing process, the use of sensors in the current state of the art is only slightly pronounced.

Es ist jedoch derzeit nicht möglich, eine Vorhersage von Eigenschaften und Parametern während des additiven Fertigungsprozesses zu machen bzw. optimale Analageneinstellungen vorherzusagen und dadurch eine besonders gute Prozesskontrolle und -Steuerung zu ermöglichen.However, it is currently not possible to make a prediction of properties and parameters during the additive manufacturing process or to predict optimal system settings and thereby enable particularly good process monitoring and control.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher eine Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen, ein Verfahren zum additiven Herstellen von Bauteilen anzugeben, durch Prozesskontrolle und/oder -Steuerung verbessert werden kann. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.Starting from the prior art, it is therefore an object of at least some embodiments to specify a method for the additive manufacturing of components, which can be improved by process control and / or control. Another object is to specify a device for carrying out the method.

Diese Aufgaben werden durch Gegenstände gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.These objects are achieved by subject matter according to the independent patent claims. Advantageous embodiments and developments of the subject matter are furthermore evident from the dependent patent claims, the following description and from the drawings.

Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird mit einer Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen zumindest ein Baujob durchgeführt, bei dem durch ein additives Schmelzschichtverfahren, wie z.B. durch das sogenannte Fused Filament Fabrication (FFF), zumindest ein Bauteil gefertigt wird. Dabei wird ein Filament einer Düse zugeführt und in der Düse geschmolzen.In the method described here, a device for the additive manufacturing of components is used to carry out at least one construction job in which at least one component is manufactured using an additive fused layer process, such as so-called Fused Filament Fabrication (FFF). A filament is fed to a nozzle and melted in the nozzle.

Weiterhin wird bei dem Verfahren eine Fördergeschwindigkeit des Filaments während des Baujobs gemessen und es werden diesbezüglich erste Messdaten, d.h. Messdaten bezüglich der Fördergeschwindigkeit des Filaments, generiert.Furthermore, in the method, a conveying speed of the filament is measured during the build job and first measurement data in this regard, i.e. measurement data relating to the conveying speed of the filament, are generated.

Darüber hinaus wird die Temperatur der Düse während des Baujobs gemessen und es werden diesbezüglich zweite Messdaten, das heißt Messdaten bezüglich der Düsentemperatur während des Baujobs, generiert. Die Temperatur kann beispielsweise durch eine Temperatursensoreinrichtung, wie z.B. durch einen Thermistor, gemessen werden.In addition, the temperature of the nozzle is measured during the construction job and second measurement data relating to this, that is to say measurement data relating to the nozzle temperature during the construction job, is generated. The temperature can be measured, for example, by a temperature sensor device such as a thermistor.

Die ersten Messdaten und die zweiten Messdaten werden an eine Recheneinrichtung mit implementierter künstlicher Intelligenz übertragen und es wird ein Baujobbewertungsalgorithmus mithilfe der künstlichen Intelligenz erstellt und/oder trainiert.The first measurement data and the second measurement data are transmitted to a computing device with implemented artificial intelligence and a construction job evaluation algorithm is created and / or trained with the aid of the artificial intelligence.

Weiterhin kann eine Mehrzahl weiterer Baujobs, bei denen durch die Vorrichtung Bauteile durch das additive Schmelzschichtverfahren hergestellt werden, durchgeführt werden, wobei eine Bewertung der Qualität der Baujobs bzw. der hergestellten Bauteile mittels des Baujobbewertungsalgorithmus erfolgt.Furthermore, a plurality of further construction jobs in which components are produced by the device using the additive fused layer process can be carried out, the quality of the construction jobs or the produced components being assessed by means of the construction job evaluation algorithm.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die in der Rechenvorrichtung implementierte künstliche Intelligenz ein neuronales Netz auf. Beispielsweise können die ersten Messdaten und zweiten Messdaten in eine Eingabeschicht des neuronalen Netzes eingegeben werden. Dies ermöglicht ein verbessertes Erkennen von Zusammenhängen z.B. durch sogenanntes Machine Learning bzw. Deep Learning, insbesondere wenn das neuronale Netz über mehrere Schichten bzw. Zwischenschichten verfügt, sodass eine Generierung eines verbesserten Baujobs mittels künstlicher Intelligenz möglich ist.According to a further embodiment, the artificial intelligence implemented in the computing device has a neural network. For example, the first measurement data and the second measurement data can be input into an input layer of the neural network. This enables improved recognition of relationships, e.g. through so-called machine learning or deep learning, especially if the neural network has several layers or intermediate layers, so that an improved construction job can be generated using artificial intelligence.

Weiterhin kann die Vorrichtung eine Steuereinrichtung aufweisen, wobei beim Durchführen eines Baujobs zumindest eine Fertigungsprozessgröße in Abhängigkeit der ersten Messdaten und/oder der zweiten Messdaten bzw. in Abhängigkeit der Bewertung der Qualität bzw. des Baujobbewertungsalgorithmus gesteuert wird. Anschließend können weitere Baujobs durchgeführt werden unter Verwendung der angepassten Fertigungsprozessgröße. Dadurch kann vorteilhafterweise eine schnelle Optimierung der additiven Fertigung basierend auf künstliche Intelligenz erreicht werden.Furthermore, the device can have a control device, with at least one manufacturing process variable being controlled as a function of the first measurement data and / or the second measurement data or as a function of the evaluation of the quality or the construction job evaluation algorithm when a construction job is carried out. Further build jobs can then be carried out using the adjusted manufacturing process size. As a result, rapid optimization of additive manufacturing based on artificial intelligence can advantageously be achieved.

Die Möglichkeit zur Vorhersage von Eigenschaften und Parametern während des additiven Fertigungsprozesses durch künstliche Intelligenz bietet die Vorteile einer ausgedehnten Prozesskontrolle und/oder -steuerung. So ist es möglich, optimale Analageneinstellungen vorherzusagen oder in den laufenden Prozess einzugreifen, um durch einen Abgleich von Soll- und Istwerten optimale Produktionsparameter einzustellen. Ferner kann ein auf einem FFF-Drucker durch Mess- bzw. Sensordaten trainiertes neuronales Netzwerk auf baugleiche Anlagen übertragen werden, um so letztendlich kostenintensive Sensorik zu ersetzen.The ability to predict properties and parameters during the additive manufacturing process through artificial intelligence offers the advantages of extensive process control and / or control. This makes it possible to predict optimal system settings or to intervene in the ongoing process in order to set optimal production parameters by comparing target and actual values. Furthermore, a neural network trained on an FFF printer using measurement or sensor data can be transferred to systems of the same construction in order to ultimately replace cost-intensive sensors.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Außentemperatur bzw. Umgebungstemperatur außerhalb der Vorrichtung bzw. die Raumtemperatur während des Baujobs gemessen und entsprechende weitere Messdaten an die Recheneinrichtung übertragen. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Filamentkraft an der Düse während des Baujobs gemessen werden und es können entsprechende weitere Messdaten an die Recheneinrichtung übertragen werden. Die weiteren Messdaten können somit ebenfalls zum Trainieren der künstlichen Intelligenz bzw. zum Erstellen bzw. Trainieren des Baujobbewertungsalgorithmus mithilfe der künstlichen Intelligenz verwendet werden.According to a further embodiment, the outside temperature or ambient temperature outside the device or the room temperature is measured during the construction job and corresponding further measurement data is transmitted to the computing device. Additionally or alternatively, the filament force at the nozzle can also be measured during the construction job and corresponding further measurement data can be transmitted to the computing device. The further measurement data can thus also be used to train the artificial intelligence or to create or train the construction job evaluation algorithm with the aid of the artificial intelligence.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die ersten und zweiten Messdaten und/oder die weiteren Messdaten in einer Datenbank gespeichert. Bei der Datenbank kann es sich z.B. um eine Cloud handeln. Es können auch mehrere Vorrichtungen zum additiven Herstellen von Bauteilen mit der Datenbank bzw. mit der Cloud vernetzt sein. Dadurch kann das Trainieren des Baujobbewertungsalgorithmus beschleunigt werden.According to a further embodiment, the first and second measurement data and / or the further measurement data are stored in a database. The database can be a cloud, for example. Several devices for the additive manufacturing of components can also be networked with the database or with the cloud. This can speed up the training of the construction job evaluation algorithm.

Dem hier beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die wichtigsten Prozessparameter im Bereich des additiven FFF-Fertigungsprozesses die Fördergeschwindigkeit des Kunststofffilaments, die Temperatur der Düse zum Auftragen und Schmelzen des Filaments, die Außentemperatur und letztendlich die resultierende Kraft in der Düse während des Prozesses sind. Durch Einsetzen von Sensorik bzw. der Sensoreinrichtung(en) und Generierung der Sensordaten bzw. Messdaten über die genannten Größen im Druckprozess ist es möglich, ein neuronales Netz mit Hilfe der Daten zu trainieren, um durch die Input Parameter Fördergeschwindigkeit des Kunststofffilaments, Temperatur der Düse und Außentemperatur die resultierende Kraft als Output vorherzusagen. Die genannten Größen haben einen hohen Einfluss auf die Bauteilqualität in Kombination mit der Prozessgeschwindigkeit. Durch die Integration eines KI-Systems kann somit sowohl ein ausgedehntes Prozessverständnis aufgebaut, als auch während des Prozesses eine Kontrolle und Steuerung des FFF-Prozesses eingerichtet werden.The method described here is based on the knowledge that the most important process parameters in the area of the additive FFF manufacturing process are the conveying speed of the plastic filament, the temperature of the nozzle for applying and melting the filament, the outside temperature and ultimately the resulting force in the nozzle during the process . By using sensors or the sensor device (s) and generating the sensor data or measurement data via the aforementioned variables in the printing process, it is possible to train a neural network with the help of the data in order to use the input parameters of the conveying speed of the plastic filament, temperature of the nozzle and outside temperature to predict the resulting force as an output. The sizes mentioned have a great influence on the component quality in combination with the process speed. By integrating an AI system, an extensive understanding of the process can be built up and control and management of the FFF process can be set up during the process.

Weiterhin wird eine Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen angegeben. Die Vorrichtung ist vorzugsweise zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens ausgebildet.Furthermore, a device for the additive manufacturing of components is specified. The device is preferably designed to carry out a method described here.

Die Basis des hier beschriebenen Verfahrens bzw. der Vorrichtung bilden große Mengen an Prozess- bzw. Messdaten, die über mehrere Baujobs hinweg aufgezeichnet werden. Für diesen Zweck weist die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung bzw. eine Vielzahl von Sensoren auf. Die generierten Datenmengen verschiedener prozessrelevanter Größen dienen anschließend zum Aufbau des neuronalen Netzes, welches letztendlich in der Lage ist, durch Eingabe relevanter Größen Prozessdaten vorauszusagen und damit über die Dauer des Baujobs die Prozessqualität abbilden kann. Zusätzlich können so Prozessabweichungen erkannt, und - insbesondere durch die Steuereinrichtung - direkt korrigiert werden.The method and device described here are based on large amounts of process and measurement data that are recorded over several construction jobs. For this purpose, the device has a sensor device or a plurality of sensors. The generated data volumes of various process-relevant variables are then used to build the neural network, which is ultimately able to predict process data by entering relevant variables and can thus map the process quality over the duration of the construction job. In addition, process deviations can be recognized and corrected directly, in particular by the control device.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung zur Messung der Temperatur der Düse während eines Baujobs und/oder eine Sensoreinrichtung zur Messung der Fördergeschwindigkeit des Filaments während des Baujobs und/oder und/oder eine Sensoreinrichtung zur Messung einer Filamentkraft an der Düse während des Baujobs und/oder eine Sensoreinrichtung zur Messung der Außentemperatur während des Baujobs auf.The device preferably has a sensor device for measuring the temperature of the nozzle during a building job and / or a sensor device for measuring the conveying speed of the filament during the building job and / or and / or a sensor device for measuring a filament force at the nozzle during the building job and / or a sensor device for measuring the outside temperature during the construction job.

Durch den Einsatz eines solchen neuronalen Netzes an weiteren Fused Filament Fabrication Anlagen können durch Vorhersagen der Output-Prozessgrößen, die hierfür vorher bzw. zum Trainieren der künstlichen Intelligenz verwendeten Sensoren zum Teil weggelassen werden.By using such a neural network on other fused filament fabrication systems, the sensors used beforehand or for training the artificial intelligence can be partially omitted by predicting the output process variables.

Claims (11)

Verfahren zum additiven Herstellen von Bauteilen, insbesondere von Fahrzeugbauteilen, aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellen einer Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen durch ein additives Schmelzschichtverfahren, - Durchführen zumindest eines Baujobs mittels der Vorrichtung unter Fertigung zumindest eines Bauteils, wobei ein Filament einer Düse zugeführt und in der Düse geschmolzen wird, - Messen einer Fördergeschwindigkeit des Filaments während des Baujobs und Generieren von entsprechenden ersten Messdaten, - Messen der Temperatur der Düse während des Baujobs und Generieren von entsprechenden zweiten Messdaten, - Übertragen der ersten und der zweiten Messdaten an eine Recheneinrichtung mit implementierter künstlicher Intelligenz, und - Erstellen und/oder Trainieren eines Baujobbewertungsalgorithmus mithilfe der künstlichen Intelligenz.Method for the additive manufacturing of components, in particular vehicle components, comprising the following steps: - Provision of a device for the additive manufacturing of components using an additive melt layer process, - Carrying out at least one construction job by means of the device while manufacturing at least one component, wherein a filament is fed to a nozzle and melted in the nozzle, - Measuring a conveying speed of the filament during the build job and generating corresponding first measurement data, - Measuring the temperature of the nozzle during the build job and generating corresponding second measurement data, - Transmitting the first and the second measurement data to a computing device with implemented artificial intelligence, and - Creating and / or training a construction job evaluation algorithm using the artificial intelligence. Verfahren nach Anspruch 1, wobei weitere Baujobs unter Herstellung von Bauteilen mittels der Vorrichtung durchgeführt werden, wobei eine Bewertung der Qualität der Baujobs und/oder Bauteile mittels des Baujobbewertungsalgorithmus erfolgt.Procedure according to Claim 1 , wherein further construction jobs are carried out with the production of components by means of the device, the quality of the construction jobs and / or components being assessed by means of the construction job evaluation algorithm. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die implementierte künstliche Intelligenz ein neuronales Netz aufweist.Method according to one of the Claims 1 or 2 , wherein the implemented artificial intelligence comprises a neural network. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin eine Außentemperatur während des Baujobs gemessen wird und entsprechende weitere Messdaten an die Recheneinrichtung übertragen werden.Method according to one of the preceding claims, wherein an outside temperature is also measured during the construction job and corresponding further measurement data are transmitted to the computing device. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin eine Filamentkraft an der Düse während des Baujobs gemessen wird und entsprechende weitere Messdaten an die Recheneinrichtung übertragen werden.Method according to one of the preceding claims, wherein a filament force at the nozzle is also measured during the construction job and corresponding further measurement data are transmitted to the computing device. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messdaten in einer Datenbank gespeichert werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the measurement data are stored in a database. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Steuereinrichtung aufweist, und wobei beim Durchführen eines Baujobs zumindest eine Fertigungsprozessgröße in Abhängigkeit der ersten Messdaten und/oder der zweiten Messdaten bzw. mittels des Baujobbewertungsalgorithmus gesteuert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the device has a control device, and wherein when performing a construction job, at least one manufacturing process variable is controlled as a function of the first measurement data and / or the second measurement data or by means of the construction job evaluation algorithm. Vorrichtung zum additiven Herstellen von Bauteilen nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.Device for additive manufacturing of components according to a method according to one of the preceding claims. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, aufweisend eine Sensoreinrichtung zur Messung der Temperatur der Düse während eines Baujobs.Device according to Claim 8 , comprising a sensor device for measuring the temperature of the nozzle during a construction job. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, aufweisend eine Sensoreinrichtung zur Messung der Fördergeschwindigkeit des Filaments während eines Baujobs.Device according to one of the Claims 8 or 9 , comprising a sensor device for measuring the conveying speed of the filament during a construction job. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, aufweisend eine Sensoreinrichtung zur Messung einer Filamentkraft an der Düse während eines Baujobs.Device according to one of the Claims 8 or 9 , comprising a sensor device for measuring a filament force at the nozzle during a construction job.
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