DE102020120319A1

DE102020120319A1 - Verfahren und Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102020120319A1
Application number: DE102020120319.5A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Wiedemann; Dominik Schmid; Marius Häusele; Heiko Degen
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2022-02-03
Also published as: CN116056873A; US20230166457A1; WO2022023223A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14a, 14b, 14c) mit lateralen Werkstückabmessungen (36) verwenden einen ersten Datensatz (50), der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (18) definiert. Auf einer Fertigungsplattform (12) mit lateralen Plattformabmessungen (38), die größer sind als die lateralen Werkstückabmessungen (36), wird eine Herstellungsregion (40) ausgewählt, an der das Werkstück (14) schichtweise hergestellt werden soll. Eine Vielzahl von definierten Materialschichten (16) werden unter Verwendung des ersten Datensatzes (50) erzeugt. Vorteilhaft wird ein zweiter Datensatz (54) verwendet, der einen von der Herstellungsregion (40) abhängigen Verzug der jeweiligen Materialschicht (16) repräsentiert. Die einzelnen Materialschichten (16) werden unter Verwendung des ersten Datensatzes (50) und unter Verwendung des zweiten Datensatzes (54) erzeugt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks, mit Schritten:

a) Erhalten eines ersten Datensatzes, der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert,
b) Auswählen einer Herstellungsregion auf einer Fertigungsplattform mit lateralen Plattformabmessungen, die größer sind als die lateralen Werkstückabmessungen, wobei die Herstellungsregion einen Abschnitt der Fertigungsplattform definiert, an dem das Werkstück schichtweise hergestellt werden soll,
c) Erzeugen einer definierten Materialschicht in der Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform unter Verwendung des ersten Datensatzes, wobei mit der Materialschicht eine definierte Werkstückschicht aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt wird, und
d) Wiederholen des Schrittes c), wobei weitere definierte Werkstückschichten aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks mit lateralen Werkstückabmessungen, mit einer Fertigungsplattform mit lateralen Plattformabmessungen, die größer sind als die lateralen Werkstückabmessungen, mit einem Strukturierungswerkzeug, das relativ zu der Fertigungsplattform bewegbar ist, mit einem ersten Speicher, der dazu eingerichtet ist, einen ersten Datensatz zu erhalten, der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert, und mit einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug unter Verwendung des ersten Datensatzes relativ zu der Fertigungsplattform zu bewegen, um schrittweise eine Vielzahl von Materialschichten in einer Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform zu erzeugen, wobei mit jeder Materialschicht aus der Vielzahl von Materialschichten eine definierte Werkstückschicht aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt wird.
Additive Verfahren zur Herstellung von Werkstücken werden zum Teil als 3D-Druck bezeichnet. Es gibt verschiedene additive Herstellungsverfahren. Beim sogenannten selektiven Lasersintern (SLS) oder selektiven Laserschmelzen (SLM) wird ein sogenanntes Pulverbett mit einer Vielzahl von flächig verteilten Pulverpartikeln verwendet. Häufig handelt es sich um metallische Pulverpartikel. Es können jedoch auch Kunststoffpartikel sein, etwa aus Polymethylmethacrylat (PMMA). Ausgewählte Pulverpartikel in dem Pulverbett werden mithilfe eines Laserstrahls oder Elektronenstrahls angeschmolzen und/oder aufgeschmolzen und verbinden sich infolgedessen miteinander. Damit kann eine gewünschte Werkstückschicht selektiv in dem Pulverbett hergestellt werden. Nach der Herstellung einer solchen Werkstückschicht wird eine neue Pulverschicht auf dem Pulverbett verteilt und es kann eine weitere Werkstückschicht selektiv hergestellt werden. Insgesamt wird das Werkstück somit schichtweise aus aufeinander angeordneten Werkstückschichten aufgebaut. Bei anderen additiven Verfahren zur Herstellung von Werkstücken kann ein Werkstückmaterial selektiv auf einer Fertigungsplattform ausgebracht werden, um eine Werkstück schichtweise herzustellen. Das Werkstückmaterial kann beispielsweise ein geschmolzener Kunststoff sein.
Üblicherweise besitzt die Fertigungsplattform laterale Abmessungen, die größer sind als die lateralen Abmessungen des herzustellenden Werkstücks, damit die Fertigungsplattform das Werkstück während der Herstellung ohne Überhang stützen kann. Dementsprechend muss zumindest implizit eine individuelle Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform für jedes Werkstück ausgewählt werden, wenn ein Herstellungsprozess initiiert wird.
US 10,220,566 B2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und schlägt vor, ausgewählte Materialschichten bereits im Prozessverlauf zu messen, um in Abhängigkeit davon ggf. Anpassungen bei der Herstellung den nachfolgenden Werkstückschichten vorzunehmen. Auf diese Weise können Herstellungsfehler frühzeitig erkannt und noch im Prozessverlauf korrigiert werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass Schwankungen bei diversen Prozessparametern es schwierig machen, ein Werkstück mit hohen Anforderungen in Bezug auf Maßhaltigkeit, Reproduzierbarkeit und Belastbarkeit herzustellen.
WO 2019/206903 A1 offenbart ein weiteres Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks sowie eine entsprechende Vorrichtung, wobei dimensionale und/oder geometrische Eigenschaften einer Werkstückschicht im Prozessverlauf gemessen werden, um die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Herstellungsprozesses zu verbessern.
WO 2018/064349 A1 offenbart ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks, wobei in den CAD-Daten des Werkstücks sogenannte Modellmarker hinzugefügt werden. Zusammen mit der Herstellung des Werkstücks wurden physische Marker hergestellt. Abweichungen zwischen den Positionen der Modellmarker in den CAD-Daten und den Positionen der physischen Marker in einem 3D-Scannerbild werden bestimmt, um korrigierte Druckbefehle zu erzeugen.
WO 2018/234331 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks, wobei Messergebnisse an dem Werkstück mit dem Ergebnis einer Simulation der Messung verglichen werden.
WO 2020/094732 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Inspizieren der Oberfläche eines Pulverbettes, um möglichst homogene Werkstückschichten bei der additiven Herstellung eines Werkstücks zu erhalten und Risse, Poren, Dellen und anderes zu vermeiden.
Aus der Publikation Wegner A, Witt G (2013), Ursachen für mangelnde Reproduzierbarkeit beim Laser-Sintern von Kunststoffbauteilen, RTejournal-Forum für Rapid Technologie, Vol. 2013, zu finden auf https://www.rtejournal.de/ausgabe10/3818, ist es bekannt, dass die inhomogene Temperaturführung während des Herstellungsprozesses beim Lasersintern von Kunststoffbauteilen Ursache für mangelnde Reproduzierbarkeit und Maßhaltigkeit sein kann. Vorgeschlagen wird hier ein neues Temperaturführungssystem, das zu homogeneren Temperatur- und Abkühlbedingungen führen soll.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen die Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit von additiv hergestellten Werkstücken auf kostengünstige Weise verbessert werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei vor dem Schritt c) ein zweiter Datensatz erhalten wird, der einen von der Herstellungsregion abhängigen Verzug der definierten Materialschichten repräsentiert, und wobei die definierte Materialschicht unter Verwendung des ersten Datensatzes und unter Verwendung des zweiten Datensatzes erzeugt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, mit einem zweiten Speicher, der dazu eingerichtet ist, einen zweiten Datensatz zu erhalten, wobei der zweite Datensatz einen von der Herstellungsregion abhängigen Verzug der definierten Werkstückschichten repräsentiert, und wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug unter Verwendung des ersten Datensatzes und unter Verwendung des zweiten Datensatzes relativ zu der Fertigungsplattform zu bewegen.
Besonders vorteilhaft wird das genannte Verfahren mithilfe eines Computerprogramms mit Programmcode implementiert, der auf der Steuereinheit einer Vorrichtung der genannten Art ausgeführt werden kann.
Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung basieren auf der Erkenntnis, dass die individuelle Herstellungsregion eines Werkstücks auf der Fertigungsplattform zu einem von der Herstellungsregion abhängigen individuellen Verzug der additiv hergestellten Materialschichten führen kann. Der individuelle Verzug führt zu dimensionalen und/oder geometrischen Abweichungen der hergestellten Werkstückschicht im Vergleich zu den Sollabmessungen der Werkstückschicht, die sich aus dem ersten Datensatz ergeben. Infolgedessen kann die Maßhaltigkeit eines additiv hergestellten Werkstücks von der jeweils ausgewählten individuellen Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform abhängen. Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung verwenden einen zweiten Datensatz, der ortsabhängige Verzüge, insbesondere ortsabhängige dimensionale und/oder geometrische Abweichungen im Vergleich zu den jeweiligen Sollabmessungen, der additiv hergestellten Werkstückschichten im Fertigungsvolumen auf der Fertigungsplattform repräsentiert. In einigen Ausführungsbeispielen kann der zweite Datensatz ortsabhängige Verzüge der additiv hergestellten Materialschichten in jeweils drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen repräsentieren. Vorteilhaft können die jeweils drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen zwei orthogonale Raumrichtungen parallel zu der Fertigungsplattform sowie eine dritte Raumrichtung senkrecht zu der Fertigungsplattform beinhalten. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der zweite Datensatz daher ortsabhängige Verzüge der additiv hergestellten Materialschichten bezogen auf eine Vielzahl von Raumvolumina (Voxeln) im Fertigungsvolumen auf bzw. oberhalb der Fertigungsplattform repräsentieren.
Die von der jeweiligen Herstellungsregion abhängigen individuellen Verzüge können verschiedene Ursachen haben. Hierzu gehören inhomogene Temperaturverteilungen und/oder Temperaturverläufe innerhalb des Fertigungsvolumens. Beispielsweise können seitliche Begrenzungswände an der Fertigungsplattform, die zum Begrenzen eines Pulverbettes dienen, den zeitlichen und räumlichen Temperaturverlauf innerhalb des Fertigungsvolumens beeinflussen, so dass abhängig von der Entfernung einer Herstellungsregion zu den seitlichen Begrenzungswänden eine höhere oder niedrigere Prozesstemperatur, eine schnellere oder langsamere Aufheizung und/oder eine schnellere oder langsamere Abkühlung auftritt. Auch die Anzahl und seitlichen Abstände von mehreren zeitgleich hergestellten Werkstücken auf der Fertigungsplattform kann die zeitliche und räumliche Temperaturverteilung beeinflussen. Darüber hinaus kann die Präzision, mit der das Strukturierungswerkzeug relativ zu der Fertigungsplattform bewegbar ist, abhängig von der jeweiligen Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform variieren. Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung machen es möglich, derartige ortsabhängige Prozessvariationen schon früh im Herstellungsprozess zu berücksichtigen und ggf. notwendige Prozesskorrekturen durchzuführen. Eine solche Korrektur kann ggf. zusätzlich zu anderen Maßnahmen durchgeführt werden, die der Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Maßhaltigkeit von additiv hergestellten Werkstücken dienen, wie etwa der frühzeitigen Inspektion eines Pulverbetts vor dem jeweiligen Strukturieren einer Werkstückschicht. Der zweite Datensatz kann in einigen Ausführungsbeispielen ohne umfangreiche Modifikationen an der Hardware bereits verwendeter Vorrichtungen bereitgestellt und erhalten werden. Daher kann das neue Verfahren in einigen Fällen auch kostengünstig auf bereits verwendeten Vorrichtungen implementiert werden, insbesondere mit Hilfe des oben genannten Computerprogramms. Dementsprechend tragen das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung vorteilhaft dazu bei, die Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit von additiv hergestellten Werkstücken auf kostengünstige Weise zu verbessern. Die oben genannte Aufgabe ist vollständig gelöst.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die definierte Materialschicht mit Hilfe eines Strukturierungswerkzeugs erzeugt, das unter Verwendung des ersten Datensatzes und unter Verwendung des zweiten Datensatzes relativ zu der Fertigungsplattform bewegt wird.
In dieser Ausgestaltung wird der Prozess zur Herstellung einer definierten Materialschicht, wie er sich zunächst anhand des ersten Datensatzes ergibt, unter Verwendung des zweiten Datensatzes modifiziert, um auf diese Weise ortsabhängigen individuellen Verzügen der definierten Materialschicht entgegenzuwirken. Die Modifikation wird gewissermaßen in einen herkömmlichen Prozessablauf integriert. In Abhängigkeit von der jeweils gewählten Herstellungsregion wird das Strukturierungswerkzeug mit zum Teil anderen Bewegungsparametern relativ zu der Fertigungsplattform bewegt als ohne den zweiten Datensatz. Das Strukturierungswerkzeug kann beispielsweise ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl, ein Schmelzkopf, eine Heißluftdüse oder ein anderes Werkzeug sein, mit dessen Hilfe eine Werkstückschicht selektiv auf einer Fertigungsplattform hergestellt werden kann. Die anderen bzw. modifizierten Bewegungsparameter können eine schnellere oder langsamere Bewegung des Strukturierungswerkzeugs relativ zu der Fertigungsplattform, eine modifizierte Trajektorie und/oder modifizierte, andere Prozesstemperaturen beinhalten. Die Ausgestaltung ermöglicht eine kostengünstige Implementierung des neuen Verfahrens für eine Vielzahl von Werkstücken.
In einer weiteren Ausgestaltung werden mehrere typgleiche Werkstücke zeitgleich in mehreren Herstellungsregionen auf der Fertigungsplattform in einem kombinierten Herstellungsprozess hergestellt, wobei für jedes der Werkstücke individuell modifizierte Prozessparameter unter Verwendung des zweiten Datensatzes bestimmt und verwendet werden.
Mit dieser Ausgestaltung können mehrere typgleiche Werkstücke mit hoher Effizienz und Maßhaltigkeit sehr kostengünstig hergestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der erste Datensatz unter Verwendung des zweiten Datensatzes modifiziert, um einen modifizierten ersten Datensatz zu erzeugen, wobei das Strukturierungswerkzeug in Abhängigkeit von dem modifizierten ersten Datensatz relativ zu der Fertigungsplattform bewegt wird.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet der erste Datensatz CAD-Daten des herzustellenden Werkstücks. Diese CAD-Daten können in der vorliegenden Ausgestaltung unter Verwendung des zweiten Datensatzes so modifiziert werden, dass die in einer Herstellungsregion tatsächlich hergestellten Werkstückschichten die gewünschte Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit aufweisen. Gewissermaßen werden die CAD-Daten unter Verwendung des zweiten Datensatzes individuell und von der Herstellungsregion abhängig verzerrt, so dass für jede Herstellungsregion ein individuell modifizierter CAD-Datensatz zur Verfügung steht. Die Werkstückschichten werden in Abhängigkeit von der gewählten Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform mit dem jeweils individuell modifizierten CAD-Datensatz hergestellt. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die ortsabhängige Korrektur der Werkstückschichten „sehr weit vorne“ im Herstellungsprozess und weitgehend unabhängig von der Hardware der verwendeten Vorrichtung erfolgen kann. Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung lassen sich daher sehr einfach und kostengünstig implementieren und in bereits verwendeten Vorrichtungen nachrüsten. Besonders vorteilhaft kann die Modifizierung des ersten Datensatzes vollständig vor dem Herstellungsschritt c) erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung werden in Abhängigkeit von dem ersten Datensatz erste Steuersignale bestimmt, mit denen das Strukturierungswerkzeug relativ zu der Fertigungsplattform bewegt werden kann, wobei die ersten Steuersignale in Abhängigkeit von dem zweiten Datensatz modifiziert werden, um modifizierte Steuersignale zu erzeugen, und wobei das Strukturierungswerkzeug in Abhängigkeit von den modifizierten Steuersignalen relativ zu der Fertigungsplattform bewegt wird.
In dieser Ausgestaltung, die alternativ oder ergänzend zu der vorgenannten Ausgestaltung verwendet werden kann, wird die Korrektur der ortsabhängigen individuellen Verzüge mithilfe von modifizierten Steuersignalen erreicht. Insbesondere können dies Steuersignale sein, mit denen das Strukturierungswerkzeug angesteuert wird. Die Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn die Steuerung des Strukturierungswerkzeugs ohnehin unter Verwendung von individuellen Kalibrierdaten erfolgt, wenn also abhängig von der verwendeten Vorrichtung und/oder aktuellen Umgebungsparametern verschiedene Steuersignale aus einem definierten CAD-Datensatz erzeugt werden. In einigen Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung wird das Strukturierungswerkzeug mit einem geschlossenen Regelkreis relativ zu der Fertigungsplattform bewegt und die Modifikation der ersten Steuersignale kann die Modifikation eines Antriebsstroms oder einer Betriebsspannung beinhalten.
In einer weiteren Ausgestaltung werden vor dem Schritt c) eine Vielzahl von definierten Testobjekten räumlich verteilt auf der Fertigungsplattform schichtweise hergestellt, wobei der zweite Datensatz mithilfe der Vielzahl von definierten Testobjekten bestimmt wird.
In dieser Ausgestaltung wird der von der Herstellungsregion abhängige Verzug der definierten Materialschichten anhand der Schichten der Testobjekte bestimmt. Die Ausgestaltung ermöglicht eine recht einfache und effiziente Bestimmung des zweiten Datensatzes für eine Vielzahl von Herstellungsregionen. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen werden eine Vielzahl von zweiten Datensätzen bestimmt, die sich in Bezug auf die Anzahl und Verteilung der Testobjekte im Fertigungsvolumen unterscheiden. Beispielsweise kann eine erste Vielzahl von zweiten Datensätzen bestimmt werden, wobei jeweils ein Testobjekt an einer anderen Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform hergestellt wird. Die erste Vielzahl von zweiten Datensätzen repräsentiert somit ortsabhängige Verzüge der Materialschichten für diejenigen Fälle, in denen jeweils nur ein Werkstück in einem Herstellungsprozess hergestellt wird. In einem weiteren Schritt kann ein zweiter Datensatz bestimmt werden, in dem mehrere Testobjekte auf der Fertigungsplattform zeitgleich hergestellt werden. In diesem Fall repräsentiert der zweite Datensatz ortsabhängige Verzüge der Materialschichten und zusätzlich die Abhängigkeit der ortsabhängigen Verzüge von der Belegung der Fertigungsplattform und/oder der Ausnutzung des Fertigungsvolumens. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen werden eine Vielzahl von zweiten Datensätzen erhalten, die eine Vielzahl von verschiedenen Herstellungsszenarien repräsentieren, wobei sich die verschiedenen Herstellungsszenarien in der Anzahl und räumlichen Verteilung von Testobjekten innerhalb des Fertigungsvolumens unterscheiden. Vorteilhaft kann für die additive Herstellung eines bestimmten Werkstücks dann jeweils derjenige zweite Datensatz aus der Vielzahl von zweiten Datensätzen ausgewählt werden, der dem aktuellen Herstellungsszenario in Bezug auf die Anzahl und Verteilung der Werkstücke am nächsten kommt. Die Ausgestaltung ermöglicht eine signifikante Verbesserung von Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit bei der additiven Herstellung von Werkstücken.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Vielzahl von definierten Testobjekten jeweils eine definierte Längsausdehnung senkrecht zu der Fertigungsplattform.
In dieser Ausgestaltung können die definierten Testobjekte vorteilhaft jeweils ein stabförmiges Element besitzen, das auf der Fertigungsplattform schichtweise von unten nach oben hergestellt wird. Die Ausgestaltung macht es möglich, ortsabhängige Variationen im Verlauf der Prozessfolge auf recht einfache und effiziente Weise zu bestimmen. Da sich der kumulierte Wärmeeintrag in das herzustellende Werkstück mit zunehmender Anzahl der Werkstückschichten erhöht, können im Verlauf der Schichtenfolge variierende ortsabhängige Verzüge auftreten. Die Verwendung von Testobjekten mit jeweils definierter Längsausdehnung erlaubt es, derartige Variationen nach der Entnahme der Testobjekte von der Fertigungsplattform auf recht einfache und effiziente Weise zu bestimmen.
In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Vielzahl von definierten Testobjekten jeweils eine definierte Längsausdehnung parallel zu der Fertigungsplattform.
In dieser Ausgestaltung können die Testobjekte vorteilhaft jeweils stabartige Elemente besitzen, die sich im Wesentlichen parallel zu der Fertigungsplattform erstrecken. In einigen Ausführungsbeispielen besitzen die definierten Testobjekte stabartige Elemente, die eine oder mehrere Ebenen parallel zu der Fertigungsplattform aufspannen. In einigen Ausführungsbeispielen beinhalten die Testobjekte Strukturen mit orthogonal zu einander verlaufenden Stäben, von denen sich einige parallel zu der Fertigungsplattform erstrecken und zumindest ein weiterer Stab senkrecht zu der Fertigungsplattform verläuft. Diese Ausgestaltung ermöglicht auf einfache und effiziente Weise die Bestimmung von ortsabhängigen Verzügen parallel zu der Fertigungsplattform und - in bevorzugten Ausführungsbeispielen - in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen. Der zweite Datensatz kann so für eine Vielzahl von individuellen ortsabhängigen Verzügen auf einfache und effiziente Weise bestimmt werden. Die Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit der Werkstücke kann für eine Vielzahl von Herstellungsregionen und Prozessparameter verbessert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die Vielzahl von definierten Testobjekten jeweils mit einer individuellen Codierung hergestellt, die eine jeweilige Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform repräsentiert, wobei der zweite Datensatz unter Verwendung der individuellen Codierungen bestimmt wird.
In dieser Ausgestaltung unterscheiden sich die definierten Testobjekte insoweit voneinander, dass bereits anhand des jeweiligen Testobjekts ein Rückschluss auf die jeweilige Herstellungsregion möglich ist. Die individuelle Codierung kann beispielsweise Erhebungen und Vertiefungen beinhalten, die nach Art eines Barcodes oder eines QR-Codes eine Information in Bezug auf die jeweilige Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform codieren. In weiteren Ausgestaltungen kann eine Vielzahl von Testobjekten mit einer gemeinsamen Haltestruktur hergestellt werden, wobei die jeweilige Position eines Testobjekts innerhalb der gemeinsamen Haltestruktur die jeweilige Herstellungsregion codiert. Die Ausgestaltung erleichtert die Bestimmung des zweiten Datensatzes und trägt zu einer effizienten Implementierung des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung bei.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die Vielzahl von definierten Testobjekten jeweils mit einem Messgerät gemessen, um individuelle Testobjektabmessungen zu bestimmen, wobei der zweite Datensatz in Abhängigkeit von den Testobjektabmessungen bestimmt wird.
In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird der zweite Datensatz in Abhängigkeit von den Testobjektmessungen automatisiert bestimmt. Vorteilhaft können die individuellen Codierungen mit den individuellen Testobjektabmessungen korreliert werden. Das Messgerät kann in einigen Ausführungsbeispielen ein integriertes Messgerät der neuen Vorrichtung sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Messgerät einen stationären oder ein mobilen 3D-Scanner beinhalten, mit dem die definierten Testobjekte nach ihrer Entnahme von der Fertigungsplattform gemessen werden. Die individuellen Testobjektabmessungen können mit Sollabmessungen der Testobjekte, insbesondere in Form von CAD-Daten, verglichen werden, um die individuellen ortsabhängigen Verzüge der Werkstückschichten zu bestimmen. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr effiziente Bestimmung des zweiten Datensatzes oder eine sehr effiziente Bestimmung von mehreren zweiten Datensätzen, die eine Vielzahl von ortsabhängigen Verzügen und Prozessszenarien repräsentieren.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform in Abhängigkeit von dem zweiten Datensatz ausgewählt.
In einigen Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung kann das Auswählen der Herstellungsregion beinhalten, dass aus einer Vielzahl von zweiten Datensätzen ein bestimmter zweiter Datensatz ausgewählt wird, der dem aktuellen Herstellungsszenario für das herzustellende Werkstück in Bezug auf die Werkstückabmessungen und/oder die Anzahl der zeitgleich herzustellenden Werkstücke am nächsten kommt. In Abhängigkeit von dem ausgewählten zweiten Datensatz kann dann diejenige Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform ausgewählt werden, die eine besonders hohe Maßhaltigkeit und/oder Reproduzierbarkeit für das aktuelle Herstellungsszenario verspricht. Die Ausgestaltung trägt vorteilhaft dazu bei, die Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit von additiv hergestellten Werkstücken zu verbessern, da die individuelle Platzierung und räumliche Verteilung der herzustellenden Werkstücke auf einfache Weise optimiert werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung wird das Werkstück nach der Herstellung mit einem Messgerät gemessen, um individuelle Werkstückabmessungen zu bestimmen, wobei der zweite Datensatz in Abhängigkeit von den individuellen Werkstückabmessungen modifiziert wird.
In dieser Ausgestaltung wird der zweite Datensatz anhand von realen Werkstücken aus früheren Herstellungsprozessen bestimmt. Informationen in Bezug auf die Maßhaltigkeit des nach dem neuen Verfahren hergestellten Werkstücks werden also für die Herstellung zukünftiger Werkstücke berücksichtigt und insbesondere nach Art eines geschlossenen Regelkreises in einen zukünftigen Herstellungsprozess zurückgeführt. Die Ausgestaltung trägt dazu bei, einen adaptiven und sich selbst optimierenden Herstellungsprozess zu etablieren. Sie besitzt den Vorteil, dass Veränderungen der Prozessparameter auch über längere Zeiträume berücksichtigt werden und insgesamt eine hohe Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit über lange Produktionszeiträume erreicht wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die definierte Materialschicht im Schritt c) mithilfe des Strukturierungswerkzeugs verfestigt.
In dieser Ausgestaltung ist das Strukturierungswerkzeug dazu eingerichtet, fließfähige und/oder rieselfähige Materialien, wie insbesondere Metallpulver oder Kunststoffpartikel, selektiv aneinander zu binden und so verfestigen. Die Ausgestaltung bezieht sich daher auf Verfahren und Vorrichtungen zur additiven Herstellung von Werkstücken, bei denen die einzelnen Werkstückschichten nahezu beliebige Formen annehmen können. Bei solchen Verfahren können ortsabhängige Verzüge in besonderem Maße auftreten. Die Ausgestaltung trägt daher dazu bei, bei derartigen Verfahren, wie insbesondere dem selektiven Lasersintern und selektiven Laserschmelzen, eine hohe Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit der Werkstücke zu erreichen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrichtung mit einer Vielzahl von herzustellenden Werkstücken,
2 die Vorrichtung aus 1 mit einer Vielzahl von definierten Testobjekten,
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein Testobjekt gemäß 2,
4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung,
5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens, und
6 ein weiteres Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besitzt eine Fertigungsplattform 12, auf der hier Werkstücke 14, nämlich drei beispielhafte Werkstücke 14a, 14b, 14c additiv hergestellt werden. Die Werkstücke 14a, 14b, 14c werden in zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten schichtweise von unten nach oben aufgebaut, wobei jeweils eine neue Materialschicht auf bereits vorhandenen Werkstückschichten hergestellt wird. In 1 ist eine aktuell oberste Materialschicht mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet. Eine weiter unten liegende Werkstückschicht ist mit der Bezugsziffer 18 bezeichnet.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Werkstückschichten 18 jeweils aus einem pulverförmigen Material 20 hergestellt. Das Material 20 befindet sich hier in einem Reservoir 22 und kann von dort mit einem Schichtbildungswerkzeug auf der Fertigungsplattform 12 verteilt werden. Vereinfacht ist in 1 ein Rakel 24 dargestellt, der in Richtung des Pfeils 26 bewegt werden kann, um eine neue Materialschicht 16 mit pulverförmigem Material 20 über der Fertigungsplattform 12 und den bereits hergestellten Werkstückschichten 18 zu verteilen. Das pulverförmige Material 20 kann dann mithilfe eines Strukturierungswerkzeugs selektiv an- und/oder aufgeschmolzen werden und auf diese Weise zu einer neuen Werkstückschicht verfestigt werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 beinhaltet das Strukturierungswerkzeug einen Laser 28, der einen Laserstrahl 30 erzeugt. Der Laserstrahl 30 ist relativ zu der Fertigungsplattform 12 und daher relativ zu den Materialschichten 16 bewegbar, wie dies in 1 mit einem ringförmigen Doppelpfeil angedeutet ist. Um die Herstellung einer neuen Materialschicht mit dem Rakel 24 zu erleichtern, kann das Reservoir 22 hier in Richtung des Pfeils 32 nach oben bewegt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Fertigungsplattform 12 in Richtung des Pfeils 34 abgesenkt werden.
Typischerweise verbleiben die nicht verfestigten Pulverpartikel bei einer solchen Vorrichtung 10 während des Herstellungsprozesses auf der Fertigungsplattform 12 und sie bilden ein weitgehend geschlossenes Pulverbett, das hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Die Werkstückschichten 18 der Werkstücke 14 sind in dem Pulverbett eingebettet, bis das nicht verfestigte Pulvermaterial zum Abschluss des Herstellungsprozesses von der Fertigungsplattform 12 entfernt wird und die Werkstücke 14 freigelegt werden.
Abweichend von dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung 10 in anderen Ausführungsbeispielen einen Elektronenstrahl oder ein anderes Strukturierungswerkzeug aufweisen, um Werkstückschichten 18 selektiv auf der Fertigungsplattform 12 herzustellen. Das Material 20 beinhaltet in einigen Ausführungsbeispielen metallische Pulverpartikel. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Material 20 Kunststoffpartikel beinhalten, etwa aus PMMA. Darüber hinaus kann das Strukturierungswerkzeug in weiteren Ausführungsbeispielen ein Werkstückmaterial lokal selektiv ausbringen, etwa nach Art eines Tintenstrahldruckers oder mit Hilfe einer Pulverdüse, die ein pulverförmiges Material ausstößt.
Wie in 1 angedeutet ist, besitzen die Werkstücke 14 jeweils eine laterale Werkstückabmessung 36, die kleiner ist als eine entsprechende laterale Plattformabmessung 38. Die Bezeichnung „laterale Abmessung“ bezieht sich hier auf eine Länge und/oder Fläche quer und insbesondere senkrecht zu dem nach oben anwachsenden Schichtstapel der Werkstückschichten 18. Dementsprechend können die lateralen Abmessungen hier Längen und/oder Flächenangaben sein.
Mit der Bezugsziffer 40 ist eine Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform 12 bezeichnet, in der hier das Werkstück 14c schichtweise hergestellt wird. In Abhängigkeit von den lateralen Werkstückabmessungen des herzustellenden Werkstücks können auf der Fertigungsplattform 12 eine oder mehrere Herstellungsregionen 40 definiert sein. Wie bereits eingangs angedeutet, können die Materialschichten 16 und die daraus resultierenden Werkstückschichten 18 abhängig von der jeweiligen Herstellungsregion 40, in der die Schichten hergestellt werden, individuelle Verzüge aufweisen. Die individuellen Verzüge können dimensionale Abweichungen in lateraler Richtung, in der Höhe (senkrecht zur Fertigungsplattform 12) und/oder Abweichungen in der Ebenheit der Schichten beinhalten. Die individuellen Verzüge können sowohl von der lateralen Position der jeweiligen Herstellungsregion 40 relativ zu der Fertigungsplattform 12 als auch von der Höhe der jeweiligen Schicht relativ zu der Fertigungsplattform 12 abhängen. In einigen Fällen kann insbesondere die Schichtdicke senkrecht zu der Fertigungsplattform 12 in Abhängigkeit von der jeweiligen Herstellungsregion 40 variieren. Dementsprechend implementieren Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens einen Korrekturmechanismus, um eine möglichst einheitliche Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit der Werkstücke 14 zu erreichen.
Die Vorrichtung 10 beinhaltet in an sich bekannter Weise eine Steuereinheit 42, die hier mit einem Prozessor 44 und einer Steuerung 46 dargestellt ist. Die Steuerung 46 erzeugt Steuersignale und steuert hier insbesondere die Bewegung des Laserstrahls 30 relativ zu der Fertigungsplattform 12. Darüber hinaus kann die Steuerung 46 die Bewegungen der Fertigungsplattform 12 in Richtung des Pfeils 34, die Bewegung des Reservoirs 22 in Richtung des Pfeils 32 und/oder die Bewegung des Rakels 24 in Richtung des Pfeils 26 steuern. In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Steuerung 46 eine oder mehrere Treiberstufen, mit denen der Laser 28 und diverse elektrische Antriebe (hier nicht dargestellt) angesteuert werden. Der Prozessor 44 repräsentiert hier eine Datenverarbeitungseinheit, mit deren Hilfe geeignete Steuerbefehle für die Steuerung 46 und/oder die genannten Treiberstufen bestimmt werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Prozessor 44 mithilfe eines handelsüblichen PC implementiert sein, auf dem ein geeignetes Betriebssystem, wie etwa Windows, OSX, Linux, u.a. implementiert ist. Mithilfe des Prozessors 44 wird dann ein Computerprogramm (hier nicht dargestellt) ausgeführt, um Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens mit einer Vorrichtung gemäß 1 zu implementieren.
Mit der Bezugsziffer 48 ist ein erster Speicher bezeichnet, in dem ein erster Datensatz 50 gespeichert ist. Mit der Bezugsziffer 52 ist ein zweiter Speicher bezeichnet, in dem ein zweiter Datensatz 54 gespeichert ist. Die Speicher 48, 52 können interne Speicher oder externe Speicher der Datenverarbeitungseinheit sein, die hier mit dem Prozessor 44 veranschaulicht ist. Beispielsweise können die Speicher 48, 52 Speicherbereiche eines internen Arbeitsspeichers RAM der mit dem Prozessor 44 veranschaulichten Datenverarbeitungseinheit sein. Alternativ oder ergänzend können die Speicher 48, 52 interne oder externe Festplattenspeicher oder Speicherbereiche auf einer solchen Festplatte sein. Prinzipiell können die Speicher 48, 52 auch Festplattenspeicher sein, die über eine Netzwerkverbindung, wie etwa eine Ethernet-Verbindung, mit dem Prozessor 44 verbunden sind.
Der erste Datensatz 50 ist in bevorzugten Ausführungsbeispielen ein CAD-Datensatz, der das herzustellende Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten lateralen Werkstückschichten 18 definiert. Alternativ oder ergänzend kann der erste Datensatz 50 generische CAD-Daten beinhalten, die das herzustellende Werkstück in seiner Gesamtheit, d.h. ohne die aufeinander angeordneten lateralen Werkstückschichten beschreiben. Der Prozessor 44 kann dann einen korrespondierenden Datensatz mit der Vielzahl von aufeinander angeordneten lateralen Werkstückschichten anhand des ersten Datensatzes aus dem Speicher 48 bestimmen. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen definiert der erste Datensatz 50 das herzustellende Werkstück 14 mit seinen Solleigenschaften.
Der zweite Datensatz 54 repräsentiert einen von der jeweiligen Herstellungsregion 40 abhängigen individuellen Verzug der definierten Material- bzw. Werkstückschichten. Er ermöglicht eine präemptive Korrektur der individuellen ortsabhängigen Verzüge im Verlauf des Herstellungsprozesses entsprechend den Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens.
2 zeigt die Vorrichtung 10 aus 1, wobei hier anstelle der Werkstücke 14a, 14b, 14c eine Vielzahl von definierten Testobjekten in den Herstellungsregionen 40 auf der Fertigungsplattform 12 hergestellt werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Übrigen die gleichen Elemente wie in 1. Die Testobjekte 56 können in der nachfolgend beschriebenen Weise verwendet werden, um den zweiten Datensatz 54 zu bestimmen. Vorteilhaft werden die definierten Testobjekte in einem Herstellungsprozess, der dem Herstellungsprozess der Werkstücke 14 zeitlich vorausgeht, auf prinzipiell gleiche Weise hergestellt, wie die Werkstücke 14, abgesehen davon, dass ein aktueller zweiter Datensatz 54 erst nach der Herstellung und Vermessung der Testobjekte 56 zur Verfügung steht. Insbesondere werden die Testobjekte 56 hier also schichtweise aus einem pulverförmigen Material 20 mithilfe des Laserstrahls 30 von unten nach oben aufgebaut.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Testobjekts aus 2 in einer etwas größeren Darstellung. Das Testobjekt 56 besitzt hier eine definierte Längsausdehnung 58 parallel zu der Fertigungsplattform 12 und eine definierte Längsausdehnung 60 senkrecht dazu. In bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzt das Testobjekt 56 stabförmige Elemente 62, 64, 66, die sich in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen erstrecken, wobei die stabförmigen Elemente 62 und 64 in diesem Fall parallel zu der Fertigungsplattform 12 verlaufen, während das stabförmige Element 66 senkrecht dazu verläuft. Die stabförmigen Elemente 62, 64, 66 besitzen jeweils eine definierte Sollabmessung, die beispielsweise in CAD-Daten in dem ersten Speicher 48 (2) gespeichert sein kann. Üblicherweise weichen die tatsächlichen Ausdehnungen der stabförmigen Elemente 62, 64, 66 in Abhängigkeit von der jeweiligen Herstellungsregion 40 von den Sollabmessungen ab. Anhand der jeweiligen Differenzen zwischen den tatsächlichen Dimensionen und den jeweiligen Sollwerten können die individuellen ortsabhängigen Verzüge in den drei Raumrichtungen, die durch die stabförmigen Elemente 62, 64, 66 definiert werden, bestimmt werden. Dementsprechend werden in bevorzugten Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens eine Vielzahl von Testobjekten 56 in einer entsprechenden Vielzahl von Herstellungsregionen 40 zeitgleich oder zeitlich nacheinander auf der Fertigungsplattform 12 hergestellt und nachfolgend gemessen, um die jeweiligen ortsabhängigen Verzüge zu bestimmen. Vorteilhaft können dabei nicht nur die Längsabmessungen der stabförmigen Elemente 62, 64, 66 gemessen werden, sondern auch die relativen Abstände und/oder Winkel der stabförmigen Elemente 62, 64, 66 zueinander. Beispielsweise kann der relative Abstand zwischen den stabförmigen Elementen 62 und 62' einen ortsabhängigen Verzug senkrecht zu der Fertigungsplattform 12 im Verlauf des Herstellungsprozesses repräsentieren, auch wenn die Längsausdehnung 60 des Testobjekts 56 im Bereich des jeweiligen Sollwertes liegt. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn ortsabhängige Verzüge der definierten Materialschichten von der jeweiligen Höhe der Materialschicht im Fertigungsvolumen abhängen und/oder im Verlauf des Herstellungsprozesses variieren.
In einigen Ausführungsbeispielen können die Testobjekte 56 mit einer jeweils individuellen Codierung 68 hergestellt werden, die es ermöglicht, die jeweils verwendete Herstellungsregion 40 nachträglich anhand des Testobjekts 56 selbst zu identifizieren.
Wie in 4 dargestellt ist, werden die Testobjekte 56 in bevorzugten Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens nach der Herstellung mit einem Messgerät 70 gemessen, um die individuellen Testobjektabmessungen 58, 60 und die damit verbundenen Abweichungen zu den Sollabmessungen zu bestimmen. Die erhaltenen Messdaten werden verwendet, um den zweiten Datensatz 54 zu bestimmen. In einigen Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens kann der erste Datensatz 50, der beispielsweise CAD-Daten eines herzustellenden Werkstücks 14 repräsentiert, unter Verwendung des zweiten Datensatzes 54 modifiziert werden, wie dies bei Bezugsziffer 72 in 4 angedeutet ist. Dementsprechend kann in einigen Ausführungsbeispielen ein modifizierter erster Datensatz 74 bestimmt werden, der gewissermaßen eine individuelle ortsabhängige Vorverzerrung der herzustellenden Werkstücke in Abhängigkeit von der jeweils gewählten Herstellungsregion repräsentiert. Anschließend kann der modifizierte erste Datensatz verwendet werden, um die Steuersignale für die Steuerung des Strukturierungswerkzeugs 28, 30 zu bestimmen. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Datensatz 54 verwendet werden, um modifizierte Steuersignale für die verschiedenen Herstellungsregionen zu bestimmen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 10 das Messgerät 70 als ein mobiles, z.B. handgeführtes 3D-Messgerät, oder als stationäres Messgerät beinhalten. Die Bestimmung des modifizierten ersten Datensatzes 74 und/oder der modifizierten Steuersignale 76 erfolgt vorzugsweise automatisch anhand der Messdaten von einer Vielzahl von codierten Testobjekten 56, sowie anhand eines jeweils aktuellen ersten Datensatzes 50, der ein herzustellendes Werkstück 14 repräsentiert. Die Bestimmung des modifizierten ersten Datensatzes 74 und/oder der modifizierten Steuersignale 76 kann mit Hilfe des Prozessors 44 und/oder in der Steuerung 46 ausgeführt werden.
Dementsprechend können Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens Verfahrensschritte beinhalten, wie sie in 5 vereinfacht dargestellt sind. Gemäß den Schritten 80, 82 werden in einer Vielzahl von Herstellungsregionen 40 auf der Fertigungsplattform 12 Testobjekte hergestellt. Gemäß Schritt 80 kann ein einzelnes Testobjekt in einer ausgewählten Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform 12 hergestellt werden und anschließend kann gemäß Schritt 82 in einem weiteren Herstellungsprozess ein weiteres Testobjekt in einer anderen Herstellungsregion hergestellt werden. Alternativ oder ergänzend können in einem Herstellungsprozess mehrere Testobjekte zeitgleich auf der Fertigungsplattform hergestellt werden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden eine Vielzahl von Testobjekten in mehreren Herstellungsprozessen in einer Vielzahl von Herstellungsregionen hergestellt, wobei von einem Herstellungsprozess zum nächsten die Auswahl der jeweiligen Herstellungsregionen und/oder die Belegungsdichte der Testobjekte auf der Fertigungsplattform 12 variieren kann. Nachdem alle gewünschten Testobjekte in den Schritten 80, 82 hergestellt wurden, werden die Testobjekte gemäß Schritt 84 jeweils gemessen, um die ortsabhängigen und/oder von der Befüllung der Fertigungsplattform abhängigen Verzüge der jeweiligen Materialschichten zu bestimmen. Gemäß Schritt 86 werden die erhaltenen Informationen in dem zweiten Datensatz aggregiert und in dem Speicher 52 gespeichert.
Wie in 6 dargestellt ist, verwenden bevorzugte Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung einen solchen zweiten Datensatz, der gemäß Schritt 88 aus dem Speicher 52 ausgelesen werden kann. Gemäß Schritt 90 wird außerdem ein erster Datensatz erhalten, der beispielsweise CAD-Daten eines herzustellenden Werkstücks repräsentieren kann. In einigen Ausführungsbeispielen wird eine Herstellungsregion für das herzustellende Werkstück unter Verwendung des zweiten Datensatzes gemäß Schritt 92 ausgewählt. In einigen Ausführungsbeispielen kann hierzu aus einer Vielzahl von zweiten Datensätzen, die voneinander verschiedene Herstellungsszenarien repräsentieren, ein geeigneter zweiter Datensatz ausgewählt werden, der dem Herstellungsszenario für das aktuelle Werkstück 14 in Bezug auf die Anzahl und/oder Größe der herzustellenden Werkstücke auf der Fertigungsplattform am nächsten kommt. Gemäß Schritt 94 werden Steuersignale zum Steuern des Strukturierungswerkzeugs unter Verwendung des zweiten Datensatzes bestimmt. Die Steuersignale beinhalten gewissermaßen eine Vorverzerrung des herzustellenden Werkstücks, die derart gewählt ist, dass die individuellen ortsabhängigen Verzüge der Materialschichten kompensiert werden und das hergestellte Werkstück den Solldaten gemäß dem ersten Datensatz mit hoher Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit entspricht.
Gemäß den Schritten 96, 98 wird das Werkstück nun schichtweise in aufeinanderfolgenden Werkstückschichten hergestellt. Gemäß Schritt 100 wird das hergestellte Werkstück in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen nach der Herstellung gemessen, um die Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit zu überprüfen. In Abhängigkeit von den gemessenen individuellen Werkstückabmessungen kann der zweite Datensatz gemäß Schritt 102 aktualisiert werden, so dass bei zukünftigen weiteren Herstellungsprozessen ein entsprechend aktualisierter zweiter Datensatz erhalten wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10220566 B2 [0005]
WO 2019/206903 A1 [0006]
WO 2018/064349 A1 [0007]
WO 2018/234331 A1 [0008]
WO 2020/094732 A1 [0009]

Claims

Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14) mit lateralen Werkstückabmessungen (36), mit den Schritten: a) Erhalten eines ersten Datensatzes (50), der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (18) definiert, b) Auswählen einer Herstellungsregion (40) auf einer Fertigungsplattform (12) mit lateralen Plattformabmessungen (38), die größer sind als die lateralen Werkstückabmessungen (36), wobei die Herstellungsregion (40) einen Abschnitt der Fertigungsplattform (12) definiert, an dem das Werkstück (14) schichtweise hergestellt werden soll, c) Erzeugen einer definierten Materialschicht (16) in der Herstellungsregion (40) auf der Fertigungsplattform (12) unter Verwendung des ersten Datensatzes (50), wobei mit der Materialschicht (16) eine definierte Werkstückschicht (18) aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt wird, und d) Wiederholen des Schrittes c), wobei weitere definierte Werkstückschichten (18) aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt c) ein zweiter Datensatz (54) erhalten wird, der einen von der Herstellungsregion (40) abhängigen Verzug der definierten Materialschicht (16) repräsentiert, und dass die definierte Materialschicht (16) unter Verwendung des ersten Datensatzes (50) und unter Verwendung des zweiten Datensatzes (54) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Materialschicht (16) mit Hilfe eines Strukturierungswerkzeugs (30) erzeugt wird, das unter Verwendung des ersten Datensatzes (50) und unter Verwendung des zweiten Datensatzes (54) relativ zu der Fertigungsplattform (12) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Datensatz (50) unter Verwendung des zweiten Datensatzes (54) modifiziert wird, um einen modifizierten ersten Datensatz (74) zu erzeugen, wobei das Strukturierungswerkzeug (30) in Abhängigkeit von dem modifizierten ersten Datensatz (74) relativ zu der Fertigungsplattform (12) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem ersten Datensatz (50) erste Steuersignale bestimmt werden, mit denen das Strukturierungswerkzeug (30) relativ zu der Fertigungsplattform (12) bewegt werden kann, wobei die ersten Steuersignale in Abhängigkeit von dem zweiten Datensatz (54) modifiziert werden, um modifizierte Steuersignale (76) zu erzeugen, und wobei das Strukturierungswerkzeug (30) in Abhängigkeit von den modifizierten Steuersignalen (74) relativ zu der Fertigungsplattform (12) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere typgleiche Werkstücke (14a, 14b, 14c) zeitgleich in verschiedenen Herstellungsregionen (40) auf der Fertigungsplattform (12) in einem kombinierten Herstellungsprozess hergestellt werden, wobei für jedes der Werkstücke (14a, 14b, 14c) individuell modifizierte Prozessparameter unter Verwendung des zweiten Datensatzes bestimmt und verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt c) eine Vielzahl von definierten Testobjekten (56) räumlich verteilt auf der Fertigungsplattform (12) schichtweise hergestellt werden, wobei der zweite Datensatz (54) mit Hilfe der Vielzahl von definierten Testobjekten (56) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von definierten Testobjekten (56) jeweils eine definierte Längsausdehnung senkrecht zu der Fertigungsplattform (12) besitzen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von definierten Testobjekten (56) jeweils eine definierte Längsausdehnung parallel zu der Fertigungsplattform (12) besitzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von definierten Testobjekten (56) jeweils mit einer individuellen Kodierung (68) hergestellt werden, die eine jeweilige Herstellungsregion (40) auf der Fertigungsplattform (12) repräsentiert, wobei der zweite Datensatz (54) unter Verwendung der individuellen Kodierungen (68) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von definierten Testobjekten (56) jeweils mit einem Messgerät (70) gemessen werden, um individuelle Testobjektabmessungen (58, 60)zu bestimmen, wobei der zweite Datensatz (54) in Abhängigkeit von den Testobjektabmessungen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellungsregion (40) auf der Fertigungsplattform (12) in Abhängigkeit von dem zweiten Datensatz (54) ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (14) nach der Herstellung mit einem Messgerät gemessen wird, um individuelle Werkstückabmessungen zu bestimmen, wobei der zweite Datensatz (54) in Abhängigkeit von den individuellen Werkstückabmessungen bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Materialschicht (16) im Schritt c) mit Hilfe des Strukturierungswerkzeugs (30) verfestigt wird.
Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14) mit lateralen Werkstückabmessungen (36), mit einer Fertigungsplattform (12) mit lateralen Plattformabmessungen (38), die größer sind als die lateralen Werkstückabmessungen (36), mit einem Strukturierungswerkzeug (30), das relativ zu der Fertigungsplattform (12) bewegbar ist, mit einem ersten Speicher (48), der dazu eingerichtet ist, einen ersten Datensatz (50) zu erhalten, der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (18) definiert, und mit einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug (30) unter Verwendung des ersten Datensatzes relativ zu der Fertigungsplattform (12) zu bewegen, um schrittweise eine Vielzahl von Materialschichten (16) in einer Herstellungsregion (40) auf der Fertigungsplattform (12) zu erzeugen, wobei mit jeder Materialschicht (16) aus der Vielzahl von Materialschichten eine definierte Werkstückschicht (18) aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt wird, gekennzeichnet durch einen zweiten Speicher (52), der dazu eingerichtet ist, einen zweiten Datensatz (54) zu erhalten, wobei der zweite Datensatz (54) einen von der Herstellungsregion (40) abhängigen Verzug der definierten Werkstückschichten (18) repräsentiert, und wobei die Steuereinheit (42) dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug (30) unter Verwendung des ersten Datensatzes (50) und unter Verwendung des zweiten Datensatzes (54) relativ zu der Fertigungsplattform (12) zu bewegen.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, wenn der Programmcode auf der Steuereinheit (42) einer Vorrichtung nach Anspruch 14 ausgeführt wird.