DE102020214266A1 - Verfahren zum Bereitstellen eines digitalen Druckmodells sowie Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (A) zum Bereitstellen eines digitalen Druckmodells (1, 1a) sowie ein Verfahren (B) zum Herstellen eines Bauteils (2) anhand des Druckmodells (1, 1a). Ein Netzmodell (3) des zu fertigenden Bauteils (2) wird bereitgestellt; eine Wärmebehandlung wird anhand des Netzmodells (3) simuliert, wodurch ein digitales Deformationsnetzmodell (11) erzeugt wird; das Netzmodell (3) wird mit dem Deformationsnetzmodell (11) verglichen, wodurch lokale Abweichungsbeträge (13) zwischen den Modellen (3, 11) ermittelt werden; die Modelle (3, 11) werden derart aneinander ausgerichtet, dass ein Gesamtabweichungsbetrag minimal wird, welcher aus den lokalen Abweichungsbeträgen (13) zwischen dem Netzmodell (3) und dem Deformationsnetzmodell (11) gebildet wird; und das Druckmodell (1, 1a) wird erzeugt, indem das Netzmodell (3) anhand der lokalen Abweichungsbeträge (13) verändert wird. Erfindungsgemäß wird vor der simulativen Wärmebehandlung an dem Netzmodell (3) ein Deformations-Hot-Spot (6) identifiziert, und abseits des Deformations-Hot-Spots (6) angeordnete Netzelemente (4) des Netzmodells (3) werden vergrößert.

Description

• Die Erfindung betrifft gemäß Patentanspruch 1 ein Verfahren, mittels dessen ein digitales Druckmodell bereitgestellt wird, anhand dessen ein Bauteil additiv herstellbar ist. Weiter betrifft die Erfindung gemäß Patentanspruch 10 ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils.
• Heutzutage werden additive Fertigungsverfahren insbesondere eingesetzt, um Bauteile herzustellen, deren geometrische Gestalt nicht oder nur unter Einsatz besonders großen Aufwands mittels herkömmlicher, zum Beispiel spanabhebender Fertigungsmethoden realisierbar sind. Des Weiteren werden die additiven Fertigungsverfahren mit zunehmender Weiterentwicklung immer rentabler, weswegen derzeit immer mehr additive Fertigungsverfahren Einzug in eine Serienproduktion von Bauteilen finden.
• Das additive Fertigungsverfahren kann beispielsweise als ein 3D-Drucken ausgebildet sein, insbesondere als ein Binder-Jetting-Druckverfahren. Dementsprechend ist eine Fertigungseinheit zum Beispiel als ein 3D-Drucker ausgebildet. Die Fertigungseinheit, mittels derer das Binder-Jetting-Verfahren zum Herstellen von Bauteilen eingesetzt wird, ist dazu konfiguriert, in einem Druckprozess sich direkt abwechselnden Schichten eines Bindemittels und eines Materialpulvers auf ein Druckbett des 3D-Druckers aufzuschichten. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass eine erste Schicht, die mittels des 3D-Druckers auf das Druckbett aufgetragen wird, eine Bindemittelschicht ist, um ein unerwünschtes Verrutschen des zu druckenden Gegenstands auf dem Druckbett zu vermeiden. Das Materialpulver ist zum Beispiel ein metallisches Pulver, wobei das Materialpulver und das Bindemittel, bei welchem es sich um eine Flüssigkeit handeln kann, derart ausgebildet oder gewählt sind, dass mittels einer Bindemittelschicht zwei zueinander benachbarte Materialpulverschichten miteinander verbunden sind. Das bedeutet, dass beim Binder-Jetting-3D-Drucken eine erste Materialpulverschicht auf das Druckbett aufgetragen wird. Auf diese erste Materialpulverschicht wird dann an bestimmten Stellen (bestimmt durch einen Bauplan, etwa ein Modell des zu druckenden Bauteils) eine Bindemittelschicht aufgetragen. Darauf folgt ein Auftragen einer weiteren Materialpulverschicht auf die Bindemittelschicht. So werden die beiden Materialpulverschichten zum einen mittels der Bindemittelschicht miteinander verbunden, beispielsweise verklebt. Zum anderen wird die aus einzelnen Pulverelementen bestehende erste Materialpulverschicht verfestigt, indem die einzelnen Pulverelemente durch das Auftragen der Bindemittelschicht miteinander verbunden werden, da das Bindemittel in die Materialpulverschicht zwischen die Pulverelemente eindringt und die Pulverelemente miteinander verbindet.
• Durch ein derartiges Drucken bzw. Herstellen „wächst“ mit steigender Anzahl der Schichten ein Zwischenerzeugnis - ein sogenanntes Grünteil - entlang einer zum Beispiel vertikalen Druckachse, wobei ein digitales Druckmodell eine Geometrie des Zwischenerzeugnisses bzw. Grünteils umfasst und insbesondere die Stellen, auf die das Bindemittel aufgetragen wird, charakterisiert. Mit anderen Worten wird der Fertigungseinheit das Druckmodell bereitgestellt, wobei die Fertigungseinheit dazu ausgebildet ist, anhand des digitalen Druckmodells die abwechselnden Schichten aus Bindemittel bzw. Materialpulver auf dem Druckbett anzuordnen.
• Um die mechanische Eigenschaften (etwa eine Festigkeit etc.) des Zwischenerzeugnisses bzw. Grünteils zu verbessern und das entsprechende Bauteil herzustellen, wird das Zwischenerzeugnis bzw. Grünteil wärmebehandelt, etwa in einem Sinterofen gesintert. Es wird also das Bauteil hergestellt, indem das Grünteil wärmebehandelt, insbesondere gesintert wird. Beim Wärmebehandeln bzw. Sintern entstehen - insbesondere aufgrund von Gravitation, Reibung der Pulverelemente und anisotropen Materialeigenschaften des Materialpulvers und/oder des Bindemittels etc. - Deformationen an dem aus dem Grünteil entstehenden Bauteil. Weiter verliert beim Wärmebehandeln bzw. Sintern das Bindemittel an Volumen und/oder tritt teilweise aus dem Grünteil/Bauteil aus oder wird ausgetrieben. Überdies treten Porositätsreduzierung auf. Aufgrund dessen schrumpft und/oder verzieht sich das Grünteil beim Wärmebehandeln nichtlinear, sodass eine End-Geometrie des gesinterten Bauteils, das mittels des Sinterns des Grünteils hergestellt wurde, in Bezug zu einer Soll-Geometrie des Bauteils aufgrund der nichtlinearen Deformationen verformt ist. Durch die Nichtlinearität der Deformationen kommt es an/in dem Bauteil zu Deformations-Hot-Spots bzw. „Brennpunkten“, an welchen die Deformationen besonders stark ausgeprägt sind und/oder die Deformationen nicht kompensierbar sind.
• Demnach besteht für das additive Herstellen des Bauteils der Bedarf, die durch das Wärmebehandeln auftretenden Deformationen bereits beim Druckprozess zu berücksichtigen und zumindest teilweise zu kompensieren. Hierfür ist zum Beispiel ein Simulieren der Wärmebehandlung bekannt, wodurch ein voraussichtliches Schrumpf- und/oder Verzugsverhalten des Grünteils ermittelbar ist. Auf Basis von entsprechenden Simulationsergebnissen soll eine Geometrie des digitalen Druckmodells derart verändert oder modifiziert werden, dass durch die beim Wärmebehandeln des Grünteils verursachten Deformationen das Bauteil mit der End-Geometrie erreicht wird, die der Soll-Geometrie möglichst genau entspricht.
• Jedoch ist ein derartiges Simulieren des Wärmebehandelns besonders aufwändig, da die nichtlinearen Deformationen besonders schwierig effizient kompensierbar sind. Denn an/in dem Bauteil treten in einigen Bereichen des Bauteils nichtlinearen Deformationen auf, wodurch Abweichungen zwischen der End-Geometrie und der Soll-Geometrie nur besonders schwierig zu berechnen bzw. zu kompensieren sind.
• Aus der US 10 456 833 B2 ist ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts als bekannt zu entnehmen, wobei eine Stützstruktur bereitgestellt wird, auf welche basierend auf einem digitalen Netzmodell ein Materialpulver und ein Binder aufgetragen werden, um das Objekt auszubilden. Die Stützstruktur ist derart ausgebildet, dass ein Schrumpfen der Stützstruktur und ein Schrumpfen des Objekts während einer Wärmebehandlung des Objekts aufeinander abgestimmt sind.
• Die WO 2018/026 962 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, wobei basierend auf einem Modell des Objekts ein Materialpulver und eine Bindersubstanz auf ein Pulverbett aufgebracht werden. Hierbei kommt zum Erstellen des Modells ein Computer zum Einsatz, mittels dessen ein Originaldesign des Modells skaliert wird, um ein durch ein Sintern des Objekts auftretendes Sinterungsschrumpfen des Objekts zu kompensieren.
• Des Weiteren ist in der US 2019 001 658 A1 eine Computereinrichtung offenbart, mittels derer während eines additiven Aufbauens eines Teils wenigstes ein Anteil eines Modells des Teils dynamisch erzeugbar oder modifizierbar ist. Dazu ist die Computereinrichtung dazu ausgebildet, einen Unterschied zwischen einem bereits gefertigten Anteil des Teils und einem noch zu fertigenden Anteil des Teils zu ermitteln und zu bestimmen, ob der Unterschied zu einer Abweichung des Teils von dem Modell des Teils führen würde. Weiter ist die Computereinrichtung dazu konfiguriert, basierend auf dem Unterschied den Anteil des Modells des Teils dynamisch zu erzeugen oder zu modifizieren.
• Jedoch bietet keines dieser herkömmlichen Verfahren eine Möglichkeit, die am Grünteil durch das Wärmebehandeln auftretenden Deformationen bereits beim Druckprozess zu berücksichtigen und zumindest teilweise zu kompensieren.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aufwand zum additiven Herstellen eines Bauteils mit besonders vorteilhaften Maßtoleranzen zu verringern.
• Diese Aufgabe wird durch ein gemäß Patentanspruch 1 ausgebildetes Verfahren zum Bereitstellen eines digitalen Druckmodells, anhand dessen ein Bauteil additiv herstellbar ist, gelöst. Ferner wird diese Aufgabe durch ein gemäß Patentanspruch 10 ausgebildetes Verfahren zum additiven Herstellen des Bauteils gelöst. Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen des digitalen Druckmodells sind als Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zum additiven Herstellen des Bauteils anzusehen und umgekehrt.
• Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines digitalen Druckmodells vorgeschlagen, wobei das mittels des Verfahrens bereitgestellte bzw. bereitstellbare Druckmodell zum additiven Herstellen des Bauteils einsetzbar ist oder eingesetzt wird. Bei dem Bauteil handelt es sich beispielsweise um ein metallisches Bauteil, das mittels eines additiven Herstellungsverfahrens herstellbar ist oder hergestellt wird. Bei dem Bauteil handelt es sich insbesondere um ein Bauteil, das im Bereich Maschinen- und/oder Anlagenbau eingesetzt wird, etwa als ein Fahrzeugbauteil, als ein Bauteil einer Fertigungseinheit für Fahrzeuge etc. Das Bauteil kann zum Beispiel im Kraftfahrzeugbau, insbesondere Serienkraftfahrzeugbau, eingesetzt oder angewendet werden, etwa als Werkzeug, Bauelement, Halbzeug etc. oder als Komponente davon.
• In einem (beispielsweise ersten) Schritt S1 des Verfahrens wird ein Netzmodell des Bauteils bereitgestellt. Das Netzmodell wird zum Beispiel bereitgestellt, indem ein CAD-Modell (CAD: computer-aided design - rechnerunterstütztes Konstruieren) des Bauteils erzeugt wird und das CAD-Modell (oder eine Kopie desselben) dann mit Netzelementen, etwa finiten Elementen, vernetzt wird. Demnach weist das Netzmodell eine Vielzahl von Netzelementen auf, die miteinander an Netzknotenpunkten aneinander angrenzen und miteinander verbunden sind. Das jeweilige Netzelement ist von polygonaler Gestalt, beispielsweise dreieckig. Eine maximale Größe der Netzelemente - also eine maximale Netzelementgröße - wird insbesondere anhand einer gewünschten Druckqualität bzw. Druckauflösung für ein Verfahren zum Herstellen des Bauteils ausgesucht.
• Das CAD-Modell weist eine Soll-Geometrie des Bauteils auf, das heißt Informationen bzw. Daten, die eine Gestalt sowie Abmessungen oder relative Abmessungsverhältnisse des Bauteils charakterisieren. Die Soll-Geometrie entspricht einer End-Geometrie, welche das fertig hergestellte Bauteil - möglichst genau - aufweisen soll. Idealerweise weist das Bauteil also als End-Geometrie die Soll-Geometrie des CAD-Modells auf, wenn das Bauteil fertig hergestellt wurde. Anders ausgedrückt ist vorgesehen, dass das fertig hergestellte Bauteil und das CAD-Modell einander entsprechen. Da das Netzmodell auf dem CAD-Modell basiert, weist das Netzmodell die Soll-Geometrie auf, sodass vorgesehen ist, dass das fertig hergestellte Bauteil und das Netzmodell einander entsprechen. Dies ist jedoch - wie eingangs dargelegt - nicht ohne Weiteres möglich, insbesondere wenn zum Herstellen des Bauteils eine Wärmebehandlung erforderlich ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn zum Herstellen des Bauteils mittels eines Binder-Jetting-Druckverfahrens zunächst ein Grünteil hergestellt wird, und das Grünteil anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um das Bauteil fertig herzustellen.
• In einem weiteren (beispielsweise zweiten) Schritt S2 des Verfahrens wird eine Wärmebehandlung - beispielsweise ein Sintern - anhand des Netzmodells (oder einer Kopie desselben) simuliert, wodurch ein digitales Deformationsnetzmodell des zu fertigenden Bauteils erzeugt wird. Das Deformationsnetzmodell wird also erzeugt bzw. bereitgestellt, indem, beispielsweise mittels einer Computersimulation, das Netzmodell simulativ einer beim Wärmebehandeln auftretenden Wärmeenergie ausgesetzt wird. Das Deformationsnetzmodell weist eine Deformationsgeometrie bzw. eine deformierte Geometrie des Bauteils, insbesondere eines Zwischenerzeugnisses bzw. des Grünteils, auf, wobei sich die Deformationsgeometrie und die Soll- bzw. End-Geometrie aufgrund von Deformationen voneinander unterscheiden. Insofern weist die Deformationsgeometrie Informationen bzw. Daten auf, die eine Gestalt sowie Abmessungen oder relative Abmessungsverhältnisse des Bauteils charakterisieren, die das Bauteil hätte, wenn es anhand des unveränderten Netzmodells gefertigt worden wäre. Die Deformationsgeometrie ist als Soll- bzw. End Geometrie des Bauteils aber unerwünscht.
• Das Verfahren weist einen weiteren (beispielsweise dritten) Schritt S3 auf, in welchem das Netzmodell mit dem Deformationsnetzmodell verglichen wird, wodurch lokale Abweichungsbeträge zwischen dem Netzmodell und dem Deformationsnetzmodell ermittelt werden. Bei dem jeweiligen lokalen Abweichungsbetrag handelt es sich zum Beispiel um einen Betrag eines Längenmaßes, welches die lokale Abweichung als gerade Entfernung zwischen miteinander korrespondierenden Geometrieelementen (etwa Punkten, Kanten, Flächen etc.) des Netzmodells und des Deformationsnetzmodells charakterisiert. Ferner kann es sich bei dem lokalen Abweichungsbetrag um einen Betrag eines Winkelmaßes handeln, welches die lokale Abweichung als Abweichungswinkel zwischen den miteinander korrespondierenden Geometrieelementen des Netzmodells und des Deformationsnetzmodells charakterisiert. Hierbei werden/wird die gerade Entfernung und/oder der Abweichungswinkel zwischen den entsprechenden Geometrieelementen insbesondere auf eine oder mehr der drei Raumrichtungen x, y, z bezogen. Insbesondere kann der jeweilige lokale Abweichungsbetrag zwischen einem Netzknoten des Netzmodells und einem korrespondierenden Netzknoten des Deformationsnetzmodells ermittelt werden.
• Ferner umfasst das Verfahren einen weiteren (beispielsweise vierten) Schritt S4, wobei das Netzmodell und das Deformationsnetzmodell derart aneinander ausgerichtet werden, dass ein Gesamtabweichungsbetrag minimal wird, welcher aus den lokalen Abweichungsbeträgen zwischen dem Netzmodell und dem Deformationsnetzmodell gebildet wird. Der Vorgang, um das Netzmodell und das Deformationsnetzmodell aneinander auszurichten, erfolgt, indem die beiden Modelle relativ zueinander oder eines der beiden Modelle in Bezug zu dem anderen der Modelle translatorisch und/oder rotatorisch bewegt/verschoben werden. Hierbei werden an vorgegebenen/vorgebbaren Stellen der Modelle lokale Abweichungsbeträge bestimmt/berechnet, welche dann zu dem Gesamtabweichungsbetrag addiert werden. Die beiden Modelle gelten als am besten aneinander ausgerichtet, wenn der Gesamtabweichungsbetrag, das heißt eine Summe aus allen lokalen Abweichungsbeträgen, minimal geworden ist. Dementsprechend erfolgt das Ausrichten der beiden betreffenden Modelle insbesondere mittels eines sogenannten Best-Fit-Algorithmus (Best-Fit: bestmögliche Anpassung). Das Ausrichten wird ohne ein reales Herstellen der beteiligten Modelle durchgeführt, zum Beispiel simulativ.
• In einem weiteren (beispielsweise fünften) Schritt S5 des Verfahrens wird das Druckmodell des zu fertigenden Bauteils erzeugt, indem das Netzmodell (oder die Kopie desselben) anhand der lokalen Abweichungsbeträge verändert oder modifiziert wird. Das digitale Druckmodell basiert also auf dem Netzmodell, welches anhand der lokalen Abweichungsbeträge verändert/modifiziert wurde. Das heißt, dass es sich bei dem gemäß dem Verfahren erzeugten Druckmodell um ein vernetztes Druckmodell handelt, also um ein Druckmodell, welches Netzelemente, beispielsweise finite Elemente, umfasst. Weist das Deformationsnetzmodell zwischen zwei Punkten beispielsweise ein kleineres Maß auf als das Netzmodell, wird auf Basis des Netzmodells das Druckmodell erstellt, wobei an den korrespondierenden Punkten des Druckmodells das Maß des Netzmodells um den Abweichungsbetrag verlängert wird. Sollte das Deformationsnetzmodell zwischen den zwei Punkten ein größeres Maß aufweisen als das Netzmodell, wird beim/zum Erstellen des Druckmodells an den korrespondierenden Punkten des Druckmodells das Maß des Netzmodells um den Abweichungsbetrag verkürzt. In analoger Weise wird beim Erstellen des Druckmodells vorgegangen, um Winkelabweichungen zu kompensieren: Ist beispielsweise eine Fläche oder Kante des Deformationsnetzmodells gegen eine korrespondierende Fläche oder Kante des Netzmodells um einen Abweichungswinkel gekippt, wird beim/zum Erstellen des Druckmodells die korrespondierende Fläche/Kante des Druckmodells um den Abweichungswinkelbetrag gegenläufig gekippt.
• Durch die Nichtlinearität von bei einer tatsächlichen Wärmebehandlung an dem Grünteil auftretenden Deformationen kommt es an/in dem Bauteil zu einem Deformations-Hot-Spot bzw. „Brennpunkt“ oder zu mehr als einem Deformations-Hot-Spot. Am jeweiligen Deformations-Hot-Spot sind die Deformationen besonders stark ausgeprägt und/oder nicht kompensierbar. Die Deformations-Hot-Spots kann zum Beispiel ein mit der Konstruktion des Bauteils beauftragter (menschlicher) Konstrukteur beim Erstellen des CAD-Modells und/oder Netzmodells als solche identifizieren und als solche zum Beispiel im CAD-Modell und/oder Netzmodell markieren. Insbesondere fallen ein jeweiliger Deformations-Hot-Spot und eine scharfe Kante oder Ecke des Bauteils zusammen. Anders ausgedrückt tritt beim Wärmebehandeln des Grünteils zum Beispiel an der scharfen Kante/Ecke einer der Deformations-Hot-Spots auf. Des Weiteren fallen ein jeweiliger Deformations-Hot-Spot und eine plane bzw. ebene Fläche, insbesondere Oberfläche, des Bauteils zusammen, was bedeutet, dass aufgrund des Wärmebehandelns des Grünteils an der planen bzw. ebenen Fläche/Oberfläche einer der Deformations-Hot-Spots auftritt. Mit anderen Worten kann es sich bei dem jeweiligen Deformations-Hot-Spot um eine Ecke, eine Kante und/oder eine Fläche sowie alternativ oder zusätzlich um ein sonstiges Element des CAD-Modells/Grünteils (etwa einen von einer Fläche, Ecke und/oder Kante unabhängigen Punkt) handeln.
• Um nun einen Aufwand zum additiven Herstellen des Bauteils mit besonders vorteilhaften Maßtoleranzen zu verringern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass vor dem Schritt S2 (zum Beispiel in einem Schritt S1a) an dem Netzmodell (oder an dessen Kopie) ein Deformations-Hot-Spot identifiziert wird oder mehrere Deformations-Hot-Spots identifiziert werden und abseits des/der Deformations-Hot-Spots angeordnete Netzelemente des Netzmodells vergrößert werden. Mit anderen Worten umfasst das Netzmodell für die nach dem Vergrößern der Netzelemente bzw. nach dem Schritt S1a durchzuführenden Schritte des Verfahrens die abseits des jeweiligen Deformations-Hot-Spots gelegenen und vergrößerten Netzelemente.
• Beim Vergrößern der Netzelemente abseits der Deformations-Hot-Spots werden eine Anzahl von Netzknotenpunkten und eine Anzahl der Netzelemente reduziert, wobei die nach dem Vergrößern verbleibenden Netzknotenpunkte positionell an derselben Stelle angeordnet sind wie vor dem Vergrößern der Netzelemente. Das bedeutet, dass zum Vergrößern der Netzelemente abseits der Deformations-Hot-Spots ein Anteil der Netzknotenpunkte eliminiert wird. Es ist dann zum Beispiel vorgesehen, dass das um die entsprechenden Netzknotenpunkte verringerte Netzmodell zumindest abseits der Deformations-Hot-Spots zwischen den verbleibenden Netzknotenpunkten neu vernetzt wird, wodurch aufgrund der reduzierten Anzahl von Netzknotenpunkten eine jeweilige Größe der an der Neuvernetzung beteiligten Netzelemente bezogen auf das Netzmodell vor dem Vergrößern größer ist. Es ist zu verstehen, dass die Netzelemente, die an dem jeweiligen Deformations-Hot-Spot angeordnet sind, unverändert bleiben, also weder vergrößert noch verkleinert werden.
• Hierdurch verringert sich ein Aufwand zum Bereitstellen des Druckmodells, insbesondere ein Aufwand zum Simulieren der Wärmebehandlung, wobei es sich bei der Wärmebehandlung zum Beispiel um das Sintern handelt. Denn mit der reduzierten Anzahl der Netzelemente geht ein reduzierter Rechen- bzw. Simulationsaufwand einher, der zu einem zweckmäßigen bzw. zielführendes Simulationsergebnis führt. Folglich sinkt bei gegebener Rechenleistung einer Simulationseinheit, mittels derer die Simulation durchgeführt wird, eine Dauer zum Durchführen der Simulation maßgeblich, zum Beispiel um einen Faktor, um welchen die Anzahl der Netzelemente verringert ist. So wird bei dem Verfahren effizienter das Druckmodell erstellt bzw. bereitgestellt, wodurch das additive Herstellen des Bauteils besonders einfach und/oder aufwandsarm durchführbar ist.
• In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird an dem Netzmodell (oder dessen Kopie) der wenigstens eine bzw. der jeweilige Deformations-Hot-Spot identifiziert, indem mittels einer Kurzsimulation eine Wärmebehandlung anhand des Netzmodells simuliert wird. Diese Kurzsimulation, die insbesondere im Rahmen des Schritts S1a des Verfahren durchgeführt wird, unterscheidet sich von der simulativen Wärmebehandlung in Schritt S2 insbesondere dadurch, dass die Kurzsimulation, dass die Kurzsimulation nach einer vorgegebenen oder vorgebbaren Simulationsdauer beendet oder abgebrochen wird. Hierbei beträgt die für die Kurzsimulation vorgegebene/vorgebbare Simulationsdauer insbesondere weniger als eine Minute, insbesondere nur einige Sekunden, zum Beispiel zehn Sekunden. Zweck der Kurzsimulation, bei welcher das Netzmodell für die Simulationsdauer simulativ der beim tatsächlichen Wärmebehandeln des Grünteils auftretenden Wärmeenergie ausgesetzt wird, ist es, die Deformations-Hot-Spots zu identifizieren. Hierfür reicht die besonders kurze Simulationsdauer der Kurzsimulation aus, nach welcher aufgrund der (simulativ) aufgetretenen Verformungen die Deformations-Hot-Spots erkennbar/identifizierbar als Teil der Deformationsgeometrie vorliegen. Dahingegen reicht die kurze Simulationsdauer der Kurzsimulation nicht aus, um die Deformationsgeometrie vollständig bereitzustellen. Das vollständige Simulieren der Wärmebehandlung bzw. des Sinterns und die Kompensationsschleifen dauert um Größenordnungen länger als die Kurzsimulation, etwa mehrere Stunden bis hin zu mehr als einem Tag.
• Es ist denkbar, dass die Kurzsimulation und die im Zusammenhang mit Schritt S2 beschriebene (für das Folgende nur als Simulation bezeichnete) simulative Wärmebehandlung nahtlos ineinander übergehen. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass an dem Netzmodell der Deformations-Hot-Spot identifiziert wird, indem mittels der Kurzsimulation eine Wärmebehandlung anhand des Netzmodells simuliert wird, wobei sich das Beenden bzw. Abbrechen der Kurzsimulation nach der kurzen Simulationsdauer als ein Fortsetzen der simulativen Wärmebehandlung darstellt, sodass nach der fortgesetzten simulativen Wärmebehandlung das Deformationsmodell des Bauteils vorliegt. Mit wieder anderen Worten kann die Kurzsimulation als ein Teil der Simulation ausgebildet sein bzw. durchgeführt werden. Das Ermitteln bzw. Identifizieren der Deformations-Hot-Spots mittels der Kurzsimulation der Wärmebehandlung des Netzmodells bietet den Vorteil, dass die Deformations-Hot-Spots besonders schnell erfolgt.
• Für das Verfahren ist in einer alternativen bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass - etwa im Schritt S1a - an dem Netzmodell der wenigstens eine bzw. der jeweilige Deformations-Hot-Spot identifiziert wird, indem basierend auf dem Netzmodell (oder der Kopie desselben) ein Grobnetzmodell erstellt wird. Das Grobnetzmodell weist im Vergleich mit dem Netzmodell weniger Netzknotenpunkte, aber die gleiche Größe und eine korrespondierende Geometrie auf. Folglich weist das Grobnetzmodell ein gröberes Netz als das Netzmodell auf, sodass - bei gleicher Größe und korrespondierender Geometrie des Netzmodells und des Grobnetzmodells - das Grobnetzmodell weniger, aber größere Netzelemente umfasst als das Netzmodell. Mit Bezug auf die Netzelemente ist die Soll-Geometrie beim Grobnetzmodell geringer aufgelöst als beim Netzmodell. Es kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass das Grobnetzmodell nur noch einen Bruchteil der Anzahl der Netzelemente des Netzmodells aufweist, etwa eine Hälfte, ein Drittel, ein Viertel, ein Fünftel, ein Sechstel usw.
• Dann wird die Wärmebehandlung anhand des Grobnetzmodells simuliert, wodurch ein deformiertes Grobnetzmodell erzeugt wird. Das deformierte Grobnetzmodell wird also erzeugt, indem, beispielsweise mittels einer Computersimulation, das Grobnetzmodell simulativ einer beim Wärmebehandeln auftretenden Wärmeenergie ausgesetzt wird. An dem deformierten Grobnetzmodell liegen die Deformations-Hot-Spots erkennbar/identifizierbar vor, sodass die Deformations-Hot-Spots an korrespondierenden Stellen des Netzmodells identifiziert werden können.
• Vorteilhaft hierbei ist, dass ein Simulationsaufwand besonders gering ist. Denn eine erforderliche Rechenleistung oder Simulationsleistung zum Erzielen zweckmäßiger du erwünschter Ergebnisse hängt direkt mit einer Anzahl der Netzelemente des Modells zusammen, dass der Simulation unterzogen wird. Da das Grobnetzmodell viel weniger Netzelemente aufweist als das Netzmodell, ergibt sich ein vorteilhaft niedriger Aufwand, um die Deformations-Hot-Spots zu identifizieren. Insbesondere sinkt die erforderliche Rechen- bzw. Simulationsleistung mit dem Bruchteil, um welchen das Grobnetzmodell bezogen auf das Netzmodell weniger Netzelemente aufweist. Weiter ist zumindest eine menschliche Fehlerquelle aus dem Verfahren eliminiert, da das simulative Wärmebehandeln des Grobnetzmodells mittels einer Simulationseinheit erfolgt, welche zum Beispiel als eine Computereinheit ausgebildet ist oder eine solche zumindest aufweist.
• Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden nach dem Schritt S5 (zum Beispiel in einem Schritt S5a) die abseits der Deformations-Hot-Spots angeordneten Netzelemente verkleinert, wodurch das Druckmodell verfeinert wird. Mit anderen Worten wird - nachdem das Druckmodell des zu fertigenden Bauteils erzeugt wurde - das Druckmodell verfeinert, wobei die zuvor vergrößerten Netzelemente abseits des/der Deformations-Hot-Spots (wieder) verkleinert werden. So kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass die Anzahl der Netzelemente sowie die Anzahl der Netzknotenpunkte, die im Schritt S1 a verringert wurden, derart wieder erhöht werden, dass nach dem Erhöhen die Anzahl der Netzelemente bzw. Netzknotenpunkte wieder der jeweiligen Anzahl vor dem Vergrößern der Netzelemente entspricht.
• In diesem Zusammenhang hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die abseits des Deformations-Hot-Spots angeordneten Netzelemente gemäß einem vorgegebenen oder vorgebbaren Faktor verkleinert werden. Das bedeutet, dass die Anzahl der Netzelemente gemäß dem vorgegebenen Faktor vergrößert wird. Insbesondere wird der Faktor so gewählt, dass die abseits des Deformations-Hot-Spots angeordneten Netzelemente gemäß der vorgegebenen oder vorgebbaren Druckauflösung verkleinert werden. Ferner ist es denkbar, dass die Netzelementgröße als eine Randbedingung für das Netzmodell vorgegeben wird, wobei die Netzelementgröße und eine erwünschte Druckauflösung des Bauteils miteinander korrespondieren. Mit anderen Worten wird die Netzelementgröße des Netzmodells gemäß der vorgegebenen oder vorgebbaren Druckauflösung ausgewählt bzw. vorgegeben. Nach dem Verkleinern weisen die entsprechenden Netzelemente also die Netzelementgröße auf, die mit einer gewünschten Druckqualität korrespondiert. Anders ausgedrückt weist das Netzmodell nach dem Verkleinern der Netzelemente die Anzahl der Netzelemente auf, die mit der erwünschten bzw. vorgegebenen/vorgebbaren Druckqualität korrespondiert. Hierdurch lässt sich besonders einfach und/oder aufwandsarm auf Basis des Druckmodells eine mit der gewünschten Druckqualität korrespondierende Druckdatei, zum Beispiel eine STL-Datei (STL: Stereo-Lithographie oder Standard Triangulation/Tessellation Language), erstellen.
• Da das Verkleinern der Netzelemente, die abseits der Deformations-Hot-Spots angeordnet sind, erst nach dem Simulieren der Wärmebehandlung, insbesondere nach dem Bereitstellen des Druckmodells, erfolgt, sind die verkleinerten Netzelemente bzw. die vergrößerte Anzahl der Netzelemente abseits der Deformations-Hot-Spots nicht Bestandteil der simulativen Wärmebehandlung. Hierdurch ist die Simulation der Wärmebehandlung besonders aufwandsarm, wodurch wiederum der Aufwand zum Bereitstellen des Druckmodells erneut sinkt.
• Beim realen Herstellen des Bauteils gibt es einen Punkt an/in dem Bauteil, an welchem beim Sintern bzw. beim Wärmebehandeln eine besonders niedriges Abweichungsmaß auftritt. Insbesondere ist dieser Punkt frei von einer Abweichung. Dieser Punkt weist also eine Deformation gleich null auf, weshalb dieser Punkt als Nulldeformationspunkt bezeichnet wird. Der Nulldeformationspunkt und eine Aufstandsebene, über welche das Grünteil für die Wärmebehandlung aufgestellt wird, fallen zusammen. Mit anderen Worten liegt der Nulldeformationspunkt in Bezug auf eine Höhe des Grünteils auf der gleichen Höhe, wie die Aufstandsebene. Zudem liegt der Nulldeformationspunkt in Bezug auf eine Breite und eine Länge des Grünteils deckungsgleich mit dem Schwerpunkt des Grünteils. Gleiches gilt, wenn das fertig gesinterte bzw. wärmebehandelte Bauteil betrachtet wird: Der Nulldeformationspunkt liegt in einer Aufstandsebene des Bauteils und ist in Bezug auf eine Breite und einer Länge des Bauteils deckungsgleich mit dem Schwerpunkt des Bauteils. Demnach wird das Grünteil am Nulldeformationspunkt durch das Wärmebehandeln nicht oder nur besonders wenig verformt. Vereinfacht ausgedrückt verformt oder schrumpft das Grünteil durch das Sintern „zum Nulldeformationspunkt hin“ bzw. „um den Nulldeformationspunkt herum“.
• Da der Nulldeformationspunkt des entsprechenden Modells bekannt bzw. einfach ermittelbar ist, werden - einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zufolge - das Netzmodell und das Deformationsnetzmodell mit einer Bedingung aneinander ausgerichtet, gemäß welcher ein Nulldeformationspunkt des Netzmodells und ein damit korrespondierender Nulldeformationspunkt des Deformationsnetzmodells aneinander angeordnet werden, derart, dass der aus den lokalen Abweichungsbeträgen gebildete Gesamtabweichungsbetrag unter Einhaltung dieser Bedingung minimal wird. Bei dem Verfahren werden also zunächst der Nulldeformationspunkt des Netzmodells und der Nulldeformationspunkt des Deformationsnetzmodells ermittelt bzw. bestimmt. Hiernach werden das Netzmodell und das Deformationsnetzmodell aneinander ausgerichtet, sodass der Nulldeformationspunkt des Netzmodells und der Nulldeformationspunkt des Deformationsnetzmodells zusammenfallen. Da sich eine positionelle Anordnung des Nulldeformationspunkts nicht durch das Sintern ändert, kann der Nulldeformationspunkt als gemeinsamer Punkt des Netzmodells und des Deformationsnetzmodells betrachtet werden. Der Schritt S4 des Verfahrens wird also unter der Prämisse ausgeführt, dass die miteinander korrespondierenden Nulldeformationspunkte aneinander angeordnet, insbesondere aneinander ausgerichtet, bleiben.
• Die Bedingung, nach welcher der Nulldeformationspunkt des Netzmodells und der korrespondierende Nulldeformationspunkt des Deformationsnetzmodells aneinander, insbesondere deckungsgleich, angeordnet werden, ist erfüllt, wenn der Nulldeformationspunkt des Netzmodells und der Nulldeformationspunkt des Deformationsnetzmodells zum oder beim Ausrichten des Netzmodells und des Deformationsnetzmodells zusammenfallen bzw. aneinander oder deckungsgleich angeordnet verbleiben. Des Weiteren ist die Bedingung erfüllt, wenn aufgrund des Ausrichtens des Netzmodells und des Deformationsnetzmodells die Nulldeformationspunkte zusammenfallen. Durch die Bedingung, dass die Nulldeformationspunkte beim Ausrichten nicht auseinanderfallen bzw. nicht voneinander abweichen, wird ein vorteilhaft besonders geringer Aufwand zum Bereitstellen des Druckmodells, insbesondere zum Aneinanderausrichten des Netzmodells und des Deformationsnetzmodells, erreicht.
• Es hat sich bei dem Verfahren weiter als vorteilhaft herausgestellt, wenn für den jeweiligen lokalen Abweichungsbetrag ein (erster) zulässiger Toleranzbetrag vorgegeben wird. Weiter wird eine die Schritte S2, S3 und S4 umfassende Schleife iterativ durchgeführt, bis der jeweilige lokale Abweichungsbetrag dem (ersten) zulässigen Toleranzbetrag entspricht. Insbesondere wird hierzu vor dem Erzeugen des Druckmodells - beispielsweise in einem Schritt S4a - ein erstes Iterationsnetzmodell des Bauteils erzeugt, indem das Netzmodell anhand der lokalen Abweichungsbeträge verändert oder modifiziert wird. Für eine erste Wiederholung und für weitere Wiederholungen der Schleife wird das Iterationsnetzmodell dem Schritt S2 zugeführt. Das bedeutet, dass die Schleife für die erste Wiederholung das Simulieren der Wärmebehandlung anhand des Iterationsnetzmodells umfasst, wodurch ein digitales Iterationsdeformationsnetzmodell des zu fertigenden Bauteils erzeugt wird. Ferner umfasst die Schleife das Vergleichen des Netzmodells mit dem Iterationsdeformationsnetzmodell, wodurch die lokalen Abweichungsbeträge zwischen dem Iterationsdeformationsnetzmodell und dem Netzmodell ermittelt werden. Darüber hinaus umfasst die Schleife das Aneinanderausrichten des Iterationsdeformationsnetzmodells und des Netzmodells, wodurch der Gesamtabweichungsbetrag minimal wird, welcher aus den lokalen Abweichungsbeträgen zwischen dem Iterationsdeformationsnetzmodell und dem Netzmodell gebildet wird. Die Schleife des Verfahrens umfasst weiter den Schritt S4a, in welchem ein weiteres Iterationsnetzmodell des Bauteils erzeugt wird, indem das erste Iterationsdeformationsnetzmodell anhand der lokalen Abweichungsbeträge verändert oder modifiziert wird. Das weitere Iterationsnetzmodell wird dann für eine weitere Wiederholung der Schleife dem Schritt S2 der Schleife zugeführt usw.
• Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass der zulässige Toleranzbetrag für das gesamte Bauteil, das heißt über das gesamte CAD-Modell bzw. Netzmodell hinweg, vorgegeben wird. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass Außenabmessungen des Bauteils nach dessen Wärmebehandlung dem zulässigen Toleranzbetrag entsprechen. Indem die Schleife des Verfahrens iterativ ausgeführt wird, bis die lokalen Abweichungen dem zulässigen Toleranzbetrag entsprechen, werden das Netzmodell und das Deformationsnetzmodell besonders genau aneinander ausgerichtet.
• In diesem Zusammenhang hat es sich für das Verfahren als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn ein Geometriespezialelement des Netzmodells und ein Geometriespezialelement des Deformationsnetzmodells bestimmt werden, und die Schleife S10 iterativ durchgeführt wird, bis der jeweilige lokale Abweichungsbetrag zwischen den Geometriespezialelementen dem zulässigen Toleranzbetrag entspricht, wobei abseits der Geometriespezialelemente, das heißt an anderen Geometrieelementen des Netzmodells bzw. Bauteils, ein größerer Toleranzbetrag zugelassen wird. Hierbei wird das jeweilige Geometriespezialelement zum Beispiel vorbestimmt oder vorgegeben, insbesondere indem der Konstrukteur beim Erstellen des entsprechenden CAD-Modells oder Netzmodells die Geometriespezialelemente als solche identifiziert und zum Beispiel im CAD-Modell und/oder Netzmodell als solche markiert. Bei dem jeweiligen Geometriespezialelement handelt es sich beispielsweise um einen jeweiligen Punkt, um eine jeweilige (gerade oder ungerade) Kante, um eine jeweilige Ecke um einen Netzknotenpunkt und/oder um eine jeweilige (ebene oder unebene) Fläche des Bauteils bzw. des Netzmodells.
• Das bedeutet, es werden die Geometriespezialelemente möglichst exakt aneinander ausgerichtet, wobei an den anderen Geometrieelementen (bei welchen es sich hierin generell nicht um Geometriespezialelemente handelt) ein zweiter zulässiger Toleranzbetrag vorgesehen ist, wobei der zweite zulässige Toleranzbetrag größer als der erste zulässige Toleranzbetrag ist. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass, beispielsweise mittels des Best-Fit-Algorithmus, eine Abweichungsbetragssumme, die aus den lokalen Abweichungsbeträge an den Geometriespezialelementen gebildet wird, vorrangig durch das Ausrichten minimiert wird, wobei eine andere Abweichungsbetragssumme, die aus den lokalen Abweichungsbeträgen an den anderen Geometrieelementen gebildet wird, beim Ausrichten nachrangig minimiert wird. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Geometriespezialelemente, welche für eine Funktionalität und/oder für ein Herstellen des Bauteils von besonderer Bedeutung sind, besonders genau bzw. präzise aneinander, insbesondere deckungsgleich, angeordnet werden.
• Hierdurch wird der Aufwand für das Ausrichten des Netzmodells und des Deformationsnetzmodells und infolgedessen für das Bereitstellen des Druckmodells nochmals in vorteilhafter Weise verringert. Denn da für die Funktionalität und/oder für das Herstellen des Bauteils die Geometriespezialelemente von vorrangiger Bedeutung sind, kann auf ein aufwändiges besonders präzises Ausrichten der Modelle abseits der Geometriespezialelemente - das heißt beispielsweise an den anderen Geometrieelementen - zur Effizienzsteigerung des Verfahrens verzichtet werden. Dennoch bleiben eine einfache Herstellbarkeit und die durch das Bauteil bereitgestellten Funktionalitäten gewährleistet.
• Weiter wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens vor dem Schritt S2, in welchem die Wärmebehandlung anhand des Netzmodells simuliert und das Deformationsnetzmodell (oder gegebenenfalls das Iterationsdeformationsnetzmodell) des zu fertigenden Bauteils erzeugt wird, das Netzmodell basierend auf einer zu erwartenden bzw. voraussichtlichen Deformation skaliert. Mit anderen Worten wird vor der simulativen Wärmebehandlung bzw. vor dem simulativen Sintern - vor oder nach dem Vergrößern der abseits der Deformations-Hot-Spots angeordneten Netzelemente - (zum Beispiel in einem Schritt S1b) ein skaliertes Netzmodell erzeugt. Hierbei erfolgt die Skalierung insbesondere translatorisch entlang einer oder mehr der drei Raumrichtungen x, y, z. Ein Skalierungsfaktor, um welchen das Netzmodell skaliert wird, geht beispielsweise aus internen Experimenten hervor, etwa aus vorhergehenden Wärmebehandlungen von zumindest ähnlich ausgebildeten Grünteilen mit ähnlichen oder gleichen Parametern (Temperatur, Dauer etc.) der entsprechenden Wärmebehandlung. Auf diese Weise wird der Aufwand für das Verfahren nochmals verringert, da aufgrund der Skalierung des Netzmodells bereits vor dem Simulieren der Wärmebehandlung eine grobe Kompensation der Deformationen erfolgt.
• Folglich sinkt der Aufwand, insbesondere Rechen- bzw. Simulationsaufwand, zum Erzeugen des Deformationsnetzmodells bzw. des Iterationsdeformationsnetzmodells. Des Weiteren sinkt der Aufwand zum Ermitteln der Abweichungsbeträge sowie zum Aneinanderausrichten des Netzmodells und des Deformationsnetzmodells. Folglich sinkt der Aufwand zum Bereitstellen des Druckmodells insgesamt. Der Schritt S1b kann Teil der iterativ ausführbaren Schleife S10 (siehe oben) sein.
• Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils vorgeschlagen. Bei diesem Herstellungsverfahren wird ein Material des zu fertigenden Bauteils gemäß einem digitalen Druckmodell des Bauteils angeordnet. Ferner wird bei dem Herstellungsverfahren das Material mittels einer Wärmebehandlung, insbesondere mittels eines Sinterns, zu dem Bauteil gefügt. Das digitale Druckmodell wird mittels eines gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildeten Verfahrens bereitgestellt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass ein Zwischenerzeugnis bzw. Grünteil des Bauteils unter Einsatz eines Binder-Jetting-3D-Druckens gefertigt wird. Hierbei wird - wie weiter oben dargelegt - das Druckmodell als ein vernetztes Druckmodell bereitgestellt. Hierzu wird aus dem Druckmodell insbesondere eine STL-Datei erzeugt, die der Fertigungseinheit bereitgestellt wird. Dabei ist diese Fertigungseinheit (zum Beispiel ein Binder-Jetting-3D-Drucker) dazu ausgebildet, das vernetzte Druckmodell als Eingangsdaten zu akzeptieren und basierend auf dem vernetzten Druckmodell das Material des Bauteils sowie ein Bindemittel zu dem Grünteil anzuordnen.
• Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen des digitalen Druckmodells beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens hier nicht noch einmal dargelegt.
• Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
• Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
• 1 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines Verfahrens zum Bereitstellen eines digitalen Druckmodells, wobei anhand des Druckmodells ein Bauteil additiv herstellbar ist;
• 2 eine schematische und perspektivische Ansicht eines Netzmodells;
• 3 eine schematische Ansicht eines Abschnitts des Netzmodells, in welchem Deformations-Hot-Spots dargestellt sind;
• 4 eine schematische Ansicht eines Bereichs des Netzmodells, mit einer Anzahl von miteinander vernetzten Netzelementen;
• 5 eine schematische Ansicht des Bereichs des Netzmodells, in welchem die Anzahl der Netzelemente verringert wurde;
• 6 eine schematische und perspektivische Ansicht eines Deformationsnetzmodells;
• 7 eine schematische Ansicht eines Vorgangs, in welchem das Netzmodell und das Deformationsnetzmodell miteinander verglichen werden;
• 8 eine schematische Ansicht des Druckmodells;
• 9 eine schematische Ansicht eines verfeinerten Druckmodells; und
• 10 eine schematische und perspektivische Ansicht des Bauteils.
• Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
• In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung eines Verfahrens A zum Bereitstellen eines digitalen Druckmodells 1 (siehe 8 bzw. 9), wobei anhand des Druckmodells 1 ein Bauteil 2 (siehe 10, in welcher eine schematische und perspektivische Ansicht des Bauteils gezeigt ist) additiv herstellbar ist. Ferner ist durch das Flussdiagramm der 1 ein Verfahren B zum additiven Herstellen des Bauteils 2 verdeutlicht. Für das Folgende wird das Verfahren A als ein Teil des Verfahrens B betrachtet. Die Verfahren A, B werden gemeinsam beschrieben. Wo erforderlich wird auf die Unterschiede zwischen den Verfahren A, B eingegangen. Wird lediglich auf „ein Verfahren“ oder „das Verfahren“ (ohne Bezugszeichen) bezuggenommen, gelten die zugehörigen Ausführungen für die Verfahren A und B einzeln oder in Kombination betrachtet.
• Für das Herstellen des Bauteils 2, beispielsweise mittels des Verfahrens B, ist vorgesehen, dass mittels eines 3D-Druckens, insbesondere mittels eines Binder-Jetting-3D-Druckens, anhand des digitalen Druckmodells 1 zunächst ein Zwischenerzeugnis (nicht dargestellt) hergestellt wird. Das Zwischenerzeugnis, das auch als Grünteil bezeichnet werden kann, wird durch ein abwechselndes Anordnen von Materialpulverschichten und Bindemittelschichten erzeugt, wobei die jeweilige Bindemittelschicht gemäß dem Druckmodell 1 selektiv auf eine jeweilige Materialpulverschicht aufgetragen wird. Es entsteht so das Zwischenerzeugnis bzw. Grünteil, das aus sich abwechselnden Schichten Materialpulver bzw. Bindemittel aufgebaut ist. Demnach werden die Materialpulverschichten mittels des Bindemittels miteinander verklebt. Weiter werden Pulverelement der jeweiligen Materialpulverschicht miteinander verklebt.
• Es ist bevorzugt, wenn direkt zwischen den Materialpulverschichten ein Stoffschluss gebildet wird und nicht nur indirekt, das heißt nicht nur mittels des Bindemittels. Hierzu ist vorgesehen, dass das Zwischenerzeugnis wärmebehandelt wird. Beispielsweise wird das Grünteil gesintert, wodurch ein unmittelbarer Stoffschluss zwischen den Pulverelementen der jeweiligen Materialpulverschicht sowie ein unmittelbarer Stoffschluss zwischen den Materialpulverschichten erzeugt wird. Ferner wird durch das Sintern das Bindemittel zumindest teilweise - etwa durch Verflüssigen, Verdampfen oder Sublimieren - aus dem Zwischenerzeugnis gelöst bzw. ausgetrieben. Hierdurch wird das Zwischenerzeugnis verformt/deformiert. Ein so hergestelltes Bauteil (nicht dargestellt) entspricht aufgrund der durch das Sintern aufgetretenen Deformationen nicht oder ungenügend Vorgaben, die durch die Soll-Geometrie bzw. durch ein CAD-Modell des Bauteils 2 vorgegeben sind. Hier greifen/greift die/das Verfahren A und/oder B ein.
• In einem ersten Schritt S1 des (jeweiligen) Verfahrens wird ein digitales Netzmodell 3 bereitgestellt, welches in 2 in schematischer und perspektivischer Ansicht dargestellt ist. Beispielsweise erstellt ein Konstrukteur mittels einer geeigneten Software bzw. mittels eines CAD-Programms das CAD-Modell, welches hierbei eine Soll-Geometrie des Bauteils 2 aufweist, das heißt Informationen bzw. Daten, die eine erwünschte Gestalt sowie Abmessungen oder relative Abmessungsverhältnisse des Bauteils 2 charakterisieren. Um dann das Netzmodell 3 bereitzustellen, wird das CAD-Modell dann mit Netzelementen 4, etwa finiten Elementen, vernetzt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den Fig. nur einige wenige der Netzelemente 4 mit dem entsprechenden Bezugszeichen versehen. Demnach weist das Netzmodell 3 eine Vielzahl von Netzelementen 4 auf, die miteinander an Netzknotenpunkten 5 (siehe 4 bzw. 5) aneinander angrenzen und miteinander verbunden sind. Vorliegend ist das jeweilige Netzelement 4 von dreieckiger Gestalt. Eine maximale Größe der Netzelemente 4 - also eine maximale Netzelementgröße - wird anhand einer gewünschten Druckqualität bzw. Druckauflösung für das Herstellen des Bauteils 2 ausgesucht oder vorgegeben.
• In einem Schritt S1a werden an dem Netzmodell 3 Deformations-Hot-Spots 6 identifiziert. Beispielsweise fallen ein jeweiliger Deformations-Hot-Spot 6 und eine scharfe Kante 7, eine Ecke 8 oder ein sonstiger Punkt des Bauteils 2 zusammen. Anders ausgedrückt tritt beim als das Sintern ausgebildete Wärmebehandeln des Grünteils zum Beispiel an der scharfen Kante 7, an der Ecke 8 und/oder an dem sonstigen Punkt einer der Deformations-Hot-Spots 6 auf. Weiter können ein jeweiliger Deformations-Hot-Spot 6 und eine plane bzw. ebene Fläche, insbesondere Oberfläche 9, des Bauteils 2 zusammenfallen, was bedeutet, dass aufgrund des Wärmebehandelns des Grünteils an der planen bzw. ebenen Fläche/Oberfläche 9 einer der Deformations-Hot-Spots 6 auftritt.
• Die Deformations-Hot-Spots 6 können zum Beispiel durch einen mit der Konstruktion des Bauteils 2 beauftragten (menschlichen) Konstrukteur beim Erstellen des CAD-Modells und/oder Netzmodells 3 als solche identifiziert und als solche zum Beispiel im CAD-Modell und/oder Netzmodell 3 markiert werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der jeweilige Deformations-Hot-Spot 6 identifiziert wird, indem mittels einer Kurzsimulation eine Wärmebehandlung anhand des Netzmodells 3 simuliert wird. Hierbei wird die Kurzsimulation nach einer vorgegebenen oder vorgebbaren Simulationsdauer beendet oder abgebrochen. Die Simulationsdauer für die Kurzsimulation beträgt weniger als eine Minute, insbesondere nur einige Sekunden, zum Beispiel zehn Sekunden. Zweck der Kurzsimulation, bei welcher das Netzmodell 3 für die Simulationsdauer simulativ der beim tatsächlichen Wärmebehandeln des Grünteils auftretenden Wärmeenergie ausgesetzt wird, ist es, die Deformations-Hot-Spots 6 zu identifizieren. Hierfür reicht die besonders kurze Simulationsdauer von nur zehn Sekunden aus.
• Alternativ werden in Schritt S1a an dem Netzmodell 3 die Deformations-Hot-Spots 6 identifiziert, indem zunächst basierend auf dem Netzmodell 3 ein Grobnetzmodell erstellt wird. Das Grobnetzmodell weist im Vergleich mit dem Netzmodell 3 weniger Netzknotenpunkte 5, aber die gleiche Größe und eine korrespondierende Geometrie auf. Folglich weist das Grobnetzmodell ein gröberes Netz als das Netzmodell 3 auf, sodass das Grobnetzmodell weniger, aber größere Netzelemente 4 umfasst als das Netzmodell 3. Mit Bezug auf die Netzelemente 4 ist die Soll-Geometrie beim Grobnetzmodell geringer aufgelöst als beim Netzmodell 3. Es kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass das Grobnetzmodell nur noch einen Bruchteil der Anzahl der Netzelemente 4 des Netzmodells 3 aufweist, etwa eine Hälfte, ein Drittel, ein Viertel, ein Fünftel, ein Sechstel usw. Dann wird die Wärmebehandlung anhand des Grobnetzmodells simuliert, wodurch ein deformiertes Grobnetzmodell erzeugt wird. Das deformierte Grobnetzmodell wird also erzeugt, indem, beispielsweise mittels einer Computersimulation, das Grobnetzmodell simulativ einer beim Wärmebehandeln auftretenden Wärmeenergie ausgesetzt wird. An dem deformierten Grobnetzmodell liegen die Deformations-Hot-Spots 6 erkennbar/identifizierbar vor, sodass die Deformations-Hot-Spots 6 an korrespondierenden Stellen des Netzmodells 3 identifiziert werden können.
• Der Schritt S1a umfasst des Weiteren ein Vergrößern von abseits der Deformations-Hot-Spots 6 angeordneten Netzelementen 4 des Netzmodells 3. Hiernach umfasst das Netzmodell 3 für die nach dem Vergrößern der Netzelemente 4 bzw. nach dem Schritt S1a durchzuführenden Schritte des Verfahrens die abseits des jeweiligen Deformations-Hot-Spots 6 gelegenen und vergrößerten Netzelemente 4. Die Netzelemente 4, die im Schritt S1a des Verfahrens vergrößert wurden, tragen in den Fig. das Bezugszeichen 10. Ein Vorgang, mittels dessen die abseits der Deformations-Hot-Spots 6 gelegenen Netzelemente 4 vergrößert werden, ist in 4 und in 5 gezeigt.
• 6 zeigt in schematischer und perspektivischer Ansicht das Netzmodell 3, bei welchem gemäß dem Schritt S1a ein Anteil der Netzelemente 4 zu den vergrößerten Netzelementen 10 umgewandelt wurden. Es ist zu erkennen, dass die Netzelemente 4, die an dem jeweiligen Deformations-Hot-Spot 6 angeordnet sind, unverändert bleiben, also weder vergrößert noch verkleinert werden. Die an den Deformations-Hot-Spots 6 angeordneten bzw. beteiligten Netzelemente 4 tragen in den Fig. das Bezugszeichen 22. Hierbei handelt es sich zum Beispiel um Netzelemente 4 des Netzmodells 3, durch welche zum Beispiel eine der Kanten 7, Ecken 8 und/oder Oberflächen 9 des Netzmodells 3 bzw. des Bauteils 2 charakterisiert sind.
• 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Bereichs des Netzmodells 3, mit einer Anzahl von miteinander vernetzten Netzelementen 4, und 5 zeigt eine schematische Ansicht des Bereichs des Netzmodells 3, in welchem die Anzahl der Netzelemente 4 verringert wurde bzw. die abseits der Deformations-Hot-Spots 6 angeordneten Netzelemente 4 zu den Netzelementen 10 vergrößert wurden. Das bedeutet, dass durch das Vergrößern der entsprechenden Netzelemente 4 des Netzmodells 3 die vergrößerten Netzelemente 10 erzeugt werden.
• Beim Vergrößern der Netzelemente 4 abseits der Deformations-Hot-Spots 6 werden eine Anzahl von Netzknotenpunkten 5 und infolgedessen eine Anzahl der Netzelemente 4 reduziert, wobei die nach dem Vergrößern verbleibenden Netzknotenpunkte 5 positionell an derselben Stelle angeordnet sind wie vor dem Vergrößern der Netzelemente 10. Das bedeutet, dass zum Vergrößern der Netzelemente 4 abseits der Deformations-Hot-Spots 6 ein Anteil der Netzknotenpunkte 5 eliminiert wird. Es ist dann vorgesehen, dass das um die entsprechenden Netzknotenpunkte 5 verringerte Netzmodell 3 zumindest abseits der Deformations-Hot-Spots 6 zwischen den verbleibenden Netzknotenpunkten 5 neu vernetzt wird, wodurch aufgrund der reduzierten Anzahl von Netzknotenpunkten 5 eine jeweilige Größe der an der Neuvernetzung beteiligten Netzelemente 10 bezogen auf das Netzmodell 3 vor dem Vergrößern größer ist.
• In einer Zusammenschau der 4 mit der 5 ist zu erkennen, dass der Bereich des Netzmodells 3 im Schritt S1a um die Netzelemente 4 reduziert wird, welche nicht an einem der Deformations-Hot-Spots 6 beteiligt sind. Die entsprechenden Netzelemente 4 sind in 5 strichliert dargestellt.
• In einem weiteren Schritt S2 wird eine Wärmebehandlung anhand des Netzmodells 3 simuliert, wodurch ein digitales Deformationsnetzmodell 11 des zu fertigenden Bauteils 2 erzeugt wird, welches in schematischer Ansicht in 3 gezeigt ist. Das Deformationsnetzmodell 11 weist eine Deformationsgeometrie bzw. eine deformierte Geometrie des Bauteils 2 auf, wobei die Deformationsgeometrie und die Soll-Geometrie sich aufgrund von Deformationen voneinander unterscheiden. Ergebnis der simulativen Wärmebehandlung sind die Deformationen, die in der Realität an dem Bauteil 2 auftreten würden, wenn das Zwischenerzeugnis anhand des Netzmodells 3 gedruckt und anschließend gesintert werden würde.
• Vor dem Simulieren der Wärmebehandlung bzw. des Sinterns (also vor dem Schritt S2) wird das Netzmodell 3 grob skaliert. Vorliegend erfolgt das Skalieren des Netzmodells 3 vor dem Schritt S1a, also bevor die Netzelemente 4 vergrößert werden. Hierzu weist das Verfahren vor dem Schritt S2, insbesondere vor dem Schritt S1a, einen weiteren Schritt S1b auf, in welchem ein skaliertes Netzmodell 3a erzeugt wird. Ein Skalierungsfaktor, um welchen das Netzmodell 3 skaliert wird, geht aus internen Experimenten hervor, mittels derer vorhergehende Wärmebehandlungen von zumindest ähnlich ausgebildeten Grünteilen untersucht wurden. Insbesondere ist der Skalierungsfaktor größer als eins, das heißt das skalierte Netzmodell 3a ist größer als das Netzmodell 3. Die Skalierung erfolgt zum Beispiel translatorisch entlang einer oder mehr der drei Raumrichtungen x, y, z. Ferner ist es denkbar, dass für die jede einzelne der Raumrichtungen x, y, z ein separater Skalierungsfaktor bestimmt wird, wobei der jeweilige separate Skalierungsfaktor größer als eins, kleiner als eins oder gleich eins sein kann. Mit anderen Worten kann das Skalieren des Netzmodells 3 an der jeweiligen Raumrichtung x, y, z mit unterschiedlichem Skalierungsfaktor erfolgen, wodurch das skalierte Netzmodell 3a entsteht. Alternativ oder zusätzlich umfasst das Skalieren bzw. das Erzeugen des skalierten Netzmodells 3a ein jeweiliges Rotieren um eine oder mehr der drei Raumrichtungen x, y, z. Die folgend beschriebenen Verfahrensschritte sind in Bezug auf das Netzmodell 3 und/oder in Bezug auf das skalierte Netzmodell 3a anwendbar. Daher wird für die folgende Beschreibung nicht mehr explizit zwischen dem Netzmodell 3 und dem skalierten Netzmodell 3a unterschieden.
• In einem Schritt S3 des Verfahrens werden das Netzmodell 3 und das Deformationsnetzmodell 11 miteinander verglichen. Hierzu zeigt 7 eine schematische Ansicht eines Vorgangs, in welchem das Netzmodell 3 und das Deformationsnetzmodell 11 miteinander verglichen werden, wodurch lokale Abweichungen 12 zwischen dem Netzmodell 3 und dem Deformationsnetzmodell 11 ermittelt werden. Die jeweilige lokale Abweichung 12 weist einen Abweichungsbetrag 13 auf, zum Beispiel eine gerade Abweichungslänge 14 und/oder einen Abweichungswinkel 15. Zum Bestimmen oder Ermitteln der Abweichungsbeträge 13 werden das Netzmodell 3 und das Deformationsnetzmodell 11 zum Beispiel grob übereinandergelegt, etwa mittels eines CAD-Programms oder mittels eines FEM-Programms.
• Es folgt ein weiterer Schritt S4 des Verfahrens, in welchem das Netzmodell 3 und das Deformationsnetzmodell 11 derart aneinander ausgerichtet werden, dass ein Gesamtabweichungsbetrag minimal wird, der durch Aufaddieren der lokalen Abweichungsbeträge 13 gebildet wird. Beispielsweise wird hierzu das Deformationsnetzmodell 11 translatorisch und/oder rotatorisch in Bezug zu dem Netzmodell 3 bewegt, bis der Gesamtabweichungsbetrag möglichst gering geworden ist. Hierbei kommt insbesondere ein Best-Fit-Algorithmus zum Einsatz. Die beiden Modelle 3, 11 gelten als am besten aneinander ausgerichtet, wenn der Gesamtabweichungsbetrag, das heißt eine Summe aus allen lokalen Abweichungsbeträgen 13, minimal ist. Insofern wird also der Gesamtabweichungsbetrag verringert oder minimiert, indem die Modelle 3, 11 - insbesondere mittels des Best-Fit-Algorithmus - aneinander ausgerichtet werden.
• In 7 ist ein Nulldeformationspunkt 16 des Bauteils 2 bzw. des jeweiligen Modells 3, 11 dargestellt. An dem Nulldeformationspunkt 16 tritt beim Sintern bzw. beim Wärmebehandeln eine besonders niedriges Abweichungsmaß auf. Insbesondere ist der Nulldeformationspunkt 16 frei von einer Abweichung. Der Nulldeformationspunkt 16 und eine Aufstandsebene 17, über welche das Grünteil zum Beispiel für die Wärmebehandlung aufgestellt wird, fallen zusammen. Der Nulldeformationspunkt 16 liegt also in Bezug auf eine Höhe des Grünteils auf der gleichen Höhe, wie die Aufstandsebene 17. Zudem liegt der Nulldeformationspunkt 16 in Bezug auf eine Breite und eine Länge des Grünteils deckungsgleich mit dem Schwerpunkt des Grünteils. Gleiches gilt, wenn das fertig gesinterte bzw. wärmebehandelte Bauteil 2 betrachtet wird: Der Nulldeformationspunkt 16 liegt in einer Aufstandsebene 17 des Bauteils 2 und ist in Bezug auf eine Breite und eine Länge des Bauteils 2 deckungsgleich mit dem Schwerpunkt des Bauteils 2. Dies gilt für das Netzmodell 3 als auch für das Deformationsnetzmodell 11. Demnach kann der Nulldeformationspunkt 16 als gemeinsamer Punkt des Bauteils 2 betrachtet werden.
• Der Nulldeformationspunkt 16 des Netzmodells 3 und der korrespondierende Nulldeformationspunkt 16 des Deformationsnetzmodells 11 werden zum oder beim Aneinanderausrichten der Modelle 3, 11 direkt aneinander, insbesondere deckungsgleich, angeordnet und/oder verbleiben zum oder beim Aneinanderausrichten der Modelle 3, 11 direkt aneinander, insbesondere deckungsgleich, angeordnet. Mit anderen Worten erfolgt das Aneinanderausrichten des Netzmodells 3 und des Deformationsnetzmodells 11 mit einer Bedingung, gemäß welcher der Nulldeformationspunkt 16 des Netzmodells 3 und der korrespondierender Nulldeformationspunkt 16 des Deformationsnetzmodells 11 aneinander angeordnet werden, wobei der aus den lokalen Abweichungsbeträgen gebildete Gesamtabweichungsbetrag unter Einhaltung dieser Bedingung minimal wird.
• Es ist vorliegend des ferner vorgesehen, dass für den jeweiligen Abweichungsbetrag 13 zumindest zwischen einem jeweiligen Geometriespezialelement 18 des Netzmodells 3 und einem korrespondierenden Geometriespezialelement 19 des Deformationsnetzmodells 11 ein erster zulässiger Toleranzbetrag vorgegeben wird. Ferner wird für den jeweiligen lokalen Abweichungsbetrag 13 zwischen einem anderen Geometrieelement 20 des Netzmodells 3 und einem korrespondierenden anderen Geometrieelement 21 des Deformationsnetzmodells 11 ein zweiter zulässiger Toleranzbetrag vorgegeben. Der zweite zulässige Toleranzbetrag ist größer als der erste zulässige Toleranzbetrag. Folglich wird beim Ausrichten der Modelle 3, 11 eine höhere Toleranz an den anderen Geometrieelementen 20, 21 (siehe 7) zugelassen als an den Geometriespezialelementen 18, 19 (siehe 7).
• Insbesondere ist das jeweilige Geometriespezialelement 18, 19 als ein Funktionselement des Bauteils 2 ausgebildet. Das Geometriespezialelement 18, 19 bzw. das Funktionselement ist beim fertig hergestellten Bauteil 2 für dessen Funktionalität von besonderer Bedeutung. Beispielsweise handelt es sich beim dem Funktionselement um die Fläche oder Oberfläche 9. Ferner kann es sich bei dem Funktionselement um ein Loch oder sonstige Materialaussparung handeln, wie ein gewindeloses und/oder mit einem Innengewinde versehenes Durchgangs- oder Sackloch, eine Nut etc. Weiter ist es denkbar, dass das Funktionselement als ein zylindrischer oder polyedrischer Materialvorsprung ausgebildet ist, beispielsweise als ein gewindeloser und/oder mit einem Außengewinde versehener Zapfen oder als eine sonstige entsprechend ausgebildete Materialerhebung. Insbesondere fungiert das Funktionselement beim fertig hergestellten Bauteil 2 als Stoff-, Form- und/oder Kraftschlusselement zum Bilden einer Stoff-, Form- und/oder Kraftschlusseinrichtung, beispielsweise zwischen dem Bauteil 2 und einem weiteren Bauteil, um das Bauteil 2 und das weitere Bauteil stoff-, form- und/oder kraftschlüssig miteinander zu verbinden.
• Ferner kann es sich bei dem jeweiligen Geometriespezialelement 18, 19 um ein Herstellungshilfselement des Bauteils 2 handeln. Ein solches als das Herstellungshilfselement ausgebildetes Geometriespezialelement 18, 19 wird beispielsweise beim 3D-Drucken des Zwischenerzeugnisses erzeugt, insbesondere aus dem gleichen Materialpulver aufgeschichtet, wie das Zwischenerzeugnis bzw. das Bauteil 2 selbst. Hierbei wird im Bereich des jeweiligen Herstellungshilfselements auf das Auftragen von Bindemittelschichten verzichtet. Das jeweilige Herstellungshilfselement ist beispielsweise als ein Druckhilfselement bzw. als eine sogenannte Supportstruktur ausgebildet, aufgrund derer Materialvorsprünge, insbesondere Materialüberhänge mittels des 3D-Druckens herstellbar sind. Weiter brechen diese Materialvorsprünge bzw. -überhänge beim Sintern des Grünteils bzw. Zwischenerzeugnisses nicht ab und/oder verformen sich nicht, wenn die Materialvorsprünge bzw. -überhänge durch die Herstellungshilfselemente gestützt werden. Daher ist das Herstellungshilfselement für das Herstellen des Bauteils 2 von besonderer Bedeutung.
• Beim Aneinanderausrichten des Netzmodells 3 und des Deformationsnetzmodells 11 werden insbesondere die Geometriespezialelemente 18, 19 der Modelle 3, 11 besonders nah aneinander - wenn möglich deckungsgleich - angeordnet. Der Schritt S4 des Verfahrens wird also beispielsweise so ausgeführt, dass die miteinander korrespondierenden Geometriespezialelemente 18, 19 nah aneinander angeordnet, insbesondere aneinander ausgerichtet bleiben. Folglich wird der aus den lokalen Abweichungsbeträgen 13 gebildete Gesamtabweichungsbetrag unter Einhaltung einer solchen Bedingung minimal.
• Bei den anderen Geometrieelementen 20, 21 handelt es sich um Elemente des Netzmodells 3 bzw. Bauteils 2, die nur besonders wenig, insbesondere keine Bedeutung für das Herstellen und für die Funktionalität des Bauteils 2 haben. So wird vorrangig eine Abweichungsbetragssumme, die aus den lokalen Abweichungsbeträgen 13 an den Geometriespezialelementen 18, 19 gebildet wird, durch das Ausrichten minimiert oder verringert, wobei eine andere Abweichungsbetragssumme, die aus den lokalen Abweichungsbeträgen 13 an den anderen Geometrieelementen 20, 21 gebildet wird, beim Ausrichten nachrangig minimiert bzw. verringert wird.
• Das Verfahren weist weiter eine Schleife S10 auf, welche zumindest die Schritte S2, S3 und S4 umfasst. Die Schleife S10 wird wenigstens einmal wiederholt, das heißt nach einem erstmaligen Durchlaufen wenigstens noch einmal durchlaufen, wobei sich für das Wiederholen der Schritte S2, S3, S4 beispielsweise an den Schritt S4 zum Beispiel der Schritt S2 anschließt. Insbesondere wird die Schleife S10 iterativ durchgeführt, bis der jeweilige Abweichungsbetrag 13 dem ersten zulässigen Toleranzbetrag entspricht. Hierzu weist das Verfahren vor dem Erzeugen des Druckmodells 1 einen Schritt S4a auf, in welchem nach dem erstmaligen Durchlaufen des Schritts S4 ein erstes Iterationsnetzmodell des Bauteils 2 erzeugt wird, indem das Netzmodell 3 anhand der Abweichungsbeträge 13 verändert oder modifiziert wird. Dann wird beim Ausführen der Schleife S10 das Iterationsnetzmodell dem Schritt S2 zugeführt. Insbesondere weist die Schleife S10 die Schritte S1b, S1a, S2, S3, S4 und S4a auf, wobei sich für das Wiederholen der Schritte S1b, S1a, S2, S3, S4 und S4a an den Schritt S4a der Schritt S1b anschließt.
• Dementsprechend wird für die erste Wiederholung der Schleife S10 das in Schritt S4a erzeugte erste Iterationsnetzmodell dem Schritt S1b der Schleife S10 zugeführt, in welchem das erste Iterationsnetzmodell gegebenenfalls zu einem skalierten ersten Iterationsnetzmodell skaliert wird. Danach wird das erste Iterationsnetzmodell dem Schritt S1a bereitgestellt, in welchem - analog zur obenstehenden Beschreibung - die Netzelemente 4 vergrößert werden. Hiernach wird das erste (eventuell skalierte) Iterationsnetzmodell mit den vergrößerten Netzelementen 10 dem Schritt S2 der Schleife S10 bereitgestellt, in welchem das erste Iterationsnetzmodell simulativ wärmebehandelt bzw. gesintert wird. Dadurch wird ein erstes Iterationsdeformationsnetzmodell erzeugt, welches im Schritt S3 der Schleife S10 mit dem Netzmodell 3 verglichen wird und die Abweichungsbeträge zwischen dem Netzmodell 3 und dem Iterationsdeformationsnetzmodell ermittelt werden. Im Schritt S4 der Schleife S10 werden das Iterationsdeformationsnetzmodell und das Netzmodell 3 aneinander ausgerichtet, wobei der aus den Abweichungsbeträgen 13 zwischen dem Iterationsdeformationsnetzmodell und dem Netzmodell 3 gebildete Gesamtabweichungsbetrag minimal wird. Weiter umfasst die Schleife S10 den Schritt S4a, in dem für eine zweite Wiederholung der Schleife S10 ein zweites Iterationsnetzmodell erstellt wird, indem das erste Iterationsdeformationsnetzmodell anhand der lokalen Abweichungsbeträge 13 verändert oder modifiziert wird. Das zweite Iterationsnetzmodell wird dann für eine weitere Wiederholung der Schleife dem Schritt S1b der Schleife zugeführt.
• Für das iterative Ausführen der Schleife S10 umfasst diese - beispielsweise als Teilschritt des Schritts S4a - eine Prüfung, in welcher der jeweilige Abweichungsbetrag 13, insbesondere an den Geometriespezialelementen 18, 19, auf das Einhalten des ersten zulässigen Toleranzbetrags hin geprüft wird. Insbesondere umfasst die Prüfung das Überprüfen des jeweiligen Abweichungsbetrags 13 abseits der Geometriespezialelemente 18, 19 - also beispielsweise an den anderen Geometrieelementen 20, 21 - auf das Einhalten des zweiten zulässigen Toleranzbetrags hin. Wird mittels der Prüfung festgestellt, dass zumindest der erste Toleranzbetrag eingehalten ist, wird die Schleife S10 beendet und das Verfahren, beispielsweise nach Schritt S4, mit einem weiteren Schritt S5 fortgesetzt.
• In dem Schritt S5 des Verfahrens wird nun das Druckmodell 1 des zu fertigenden Bauteils 2 erzeugt. Hierzu wird das Netzmodell 3 anhand der lokalen Abweichungsbeträge 13 verändert oder modifiziert. Das digitale Druckmodell 1 basiert also auf dem Netzmodell 3, welches anhand der zwischen dem Netzmodell 3 und dem Deformationsnetzmodell 11 aufgetretenen Abweichungsbeträge 13 verändert/modifiziert wurde. Wurde vor dem Schritt S5 zumindest einmal die Schleife S10 durchlaufen bzw. ausgeführt, basiert das digitale Druckmodell 1 auf dem Netzmodell 3, welches anhand der zwischen dem Netzmodell 3 und dem Iterationsdeformationsnetzmodell aufgetretenen Abweichungsbeträge 13 verändert/modifiziert wurde.
• 8 zeigt in einer schematischen und perspektivischen Ansicht das Druckmodell 1, das gegenüber dem Netzmodell 3 und gegenüber dem Deformationsnetzmodell 11 derart verformt ist, dass bei einem Sintern des Zwischenerzeugnisses, das gemäß dem Druckmodell 1 hergestellt worden ist, das Zwischenerzeugnis bzw. Grünteil sich so verformt, dass die Gestalt des Bauteils 2 entsteht.
• 9 zeigt in einer schematischen und perspektivischen Ansicht das Druckmodell 1, welches in einem Schritt S5a des Verfahrens zu einem Feindruckmodell 1a verfeinert wurde. Der Schritt S5a erfolgt nach dem Bereitstellen des Druckmodells 1, also nach dem Schritt S5. Die abseits der Deformations-Hot-Spots 6 angeordneten und im Schritt S1 a vergrößerten Netzelemente 10 werden im Schritt S5a (wieder) verkleinert, wodurch das Druckmodell 1 verfeinert wird bzw. das Feindruckmodell 1a erzeugt wird. Mit anderen Worten wird - nachdem das die vergrößerten Netzelemente 10 aufweisende Druckmodell 1 des zu fertigenden Bauteils 2 erzeugt wurde - das Druckmodell 1 verfeinert, wobei die zuvor vergrößerten Netzelemente 10 abseits des/der Deformations-Hot-Spots 6 verkleinert werden. Hierbei werden die Anzahl der Netzelemente 10 sowie die Anzahl der Netzknotenpunkte 5, die im Schritt S1a verringert wurden, derart wieder erhöht, dass nach dem Erhöhen die Anzahl der Netzelemente 4 bzw. Netzknotenpunkte 5 wieder der jeweiligen Anzahl vor dem Vergrößern der Netzelemente 4 entspricht.
• Die abseits des jeweiligen Deformations-Hot-Spots 6 angeordneten und zuvor vergrößerten Netzelemente 10 werden gemäß einem Faktor (wieder) verkleinert. Das bedeutet, dass die Anzahl der Netzelemente 10 gemäß dem vorgegebenen Faktor vergrößert wird. Insbesondere wird der Faktor so gewählt, dass die abseits der Deformations-Hot-Spots angeordneten Netzelemente 10 gemäß der gewünschten Druckauflösung verkleinert werden. Darüber hinaus kann die Netzelementgröße als eine Randbedingung für das Netzmodell 3 bzw. für das Druckmodell 1, 1a vorgegeben werden, wobei die Netzelementgröße und die erwünschte Druckauflösung für das Bauteil 2 miteinander korrespondieren - je kleiner die Netzelementgröße bzw. je mehr Netzelemente 4, desto höher ist die Druckauflösung. Nach dem Verkleinern haben die entsprechenden Netzelemente 10 also die Netzelementgröße, die die Netzelemente 4 haben.
• Das Verfahren B unterscheidet sich von dem Verfahren A durch einen Schritt S6, in welchem das digitale Druckmodell 1, bevorzugt das Feindruckmodell 1a, einer Fertigungseinheit, insbesondere einem Binder-Jetting-3D-Drucker, bereitgestellt wird. Dann wird mittels des 3D-Druckers und anhand des Druckmodells 1 das Zwischenerzeugnis bzw. Grünteil des Bauteils 2 tatsächlich hergestellt. Weiter umfasst der Schritt S6 das (reale) Sintern des Grünteils, wodurch das Bauteil 2 hergestellt wird. Hierzu schließt sich der Schritt S6 des Verfahrens B an das Verfahren A an, insbesondere an den Schritt S5a des Verfahrens A. Anders ausgedrückt weist das Verfahren A die Schritte S1, S1b, S1a, S2, S3, S4, S4a, S5 und S5a auf, wohingegen das Verfahren B Schritte S1, S1b, S1a, S2, S3, S4, S4a, S5, S5a und S6 umfasst.
• Insgesamt zeigt die Erfindung, wie besonders effizient und genau eine durch eine Wärmebehandlung auftretende Deformation an wichtigen Elementen des Bauteils 2 kompensiert wird. Indem zum Simulieren des Sinterns das Netzmodell 3 zum Einsatz kommt, bei welchem zumindest ein Anteil der Netzelemente 4 zu den Netzelementen 10 vergrößert wurde, ist ein Aufwand zum Durchführen der Simulation in vorteilhafter Weise besonders gering.
• Hierbei konzentriert sich das Verfahren auf das Vergrößern der Netzelemente 4 und in weiterer Ausgestaltung auf das Wiederverringern der zuvor vergrößerten Netzelemente 10.
• Obwohl das Verfahren A, B hierin im Zusammenhang mit einem additiven Fertigungsverfahren beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass das Verfahren A, B auch für andere Fertigungsverfahren anwendbar ist, bei denen es zu einem Wärmeeintrag in das entsprechende Bauteil oder in ein korrespondierendes Zwischenerzeugnis kommt, etwa bei einem Schweißen.
• Bezugszeichenliste

A

Verfahren zum Bereitstellen eines digitalen Druckmodells

B

Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils

1

Druckmodell

1a

Feindruckmodell

2

Bauteil

3

Netzmodell

3a

skaliertes Netzmodell

4

Netzelement

5

Netzknotenpunkt

6

Deformations-Hot-Spot

7

Kante

8

Ecke

9

Oberfläche

10

vergrößertes Netzelement

11

Deformationsnetzmodell

12

Abweichung

13

Abweichungsbetrag

14

Abweichungslänge

15

Abweichungswinkel

16

Nulldeformationspunkt

17

Aufstandsebene

18

Geometriespezialelement

19

Geometriespezialelement

20

Geometrieelement

21

Geometrieelement

22

Netzelement

S1

Verfahrensschritt

S1a

Verfahrensschritt

S1b

Verfahrensschritt

S2

Verfahrensschritt

S3

Verfahrensschritt

S4

Verfahrensschritt

S4a

Verfahrensschritt

S5

Verfahrensschritt

S5a

Verfahrensschritt

S6

Verfahrensschritt

S10

Schleife

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• US 10456833 B2 [0008]
• WO 2018/026962 A1 [0009]
• US 2019001658 A1 [0010]

Claims (10)

1. Verfahren (A) zum Bereitstellen eines digitalen Druckmodells (1, 1a), anhand dessen ein Bauteil (2) additiv herstellbar ist, wobei S1 ein Netzmodell (3) des zu fertigenden Bauteils (2) bereitgestellt wird; S2 eine Wärmebehandlung anhand des Netzmodells (3) simuliert wird, wodurch ein digitales Deformationsnetzmodell (11) des zu fertigenden Bauteils (2) erzeugt wird; S3 das Netzmodell (3) mit dem Deformationsnetzmodell (11) verglichen wird, wodurch lokale Abweichungsbeträge (13) zwischen dem Netzmodell (3) und dem Deformationsnetzmodell (11) ermittelt werden; S4 das Netzmodell (3) und das Deformationsnetzmodell (11) derart aneinander ausgerichtet werden, dass ein Gesamtabweichungsbetrag minimal wird, welcher aus den lokalen Abweichungsbeträgen (13) zwischen dem Netzmodell (3) und dem Deformationsnetzmodell (11) gebildet wird; und S5 das Druckmodell (1, 1a) des zu fertigenden Bauteils (2) erzeugt wird, indem das Netzmodell (3) anhand der lokalen Abweichungsbeträge (13) verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt S2 an dem Netzmodell (3) ein Deformations-Hot-Spot (6) identifiziert wird und abseits des Deformations-Hot-Spots (6) angeordnete Netzelemente (4) des Netzmodells (3) vergrößert werden.
2. Verfahren (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Netzmodell (3) der Deformations-Hot-Spot (6) identifiziert wird, indem mittels einer Kurzsimulation eine Wärmebehandlung anhand des Netzmodells (3) simuliert wird.
3. Verfahren (A) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Netzmodell (3) der Deformations-Hot-Spot (6) identifiziert wird, indem basierend auf dem Netzmodell (3) ein Grobnetzmodell erstellt wird, und die Wärmebehandlung anhand des Grobnetzmodells simuliert wird, wodurch ein deformiertes Grobnetzmodell erzeugt wird.
4. Verfahren (A) einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt S5 das Druckmodell (1) verfeinert wird, indem die abseits der Deformations-Hot-Spots (6) angeordneten Netzelemente (4, 10) verkleinert werden;.
5. Verfahren (A) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die abseits des Deformations-Hot-Spots (6) angeordneten Netzelemente (4, 10) gemäß einem vorgegebenen Faktor verkleinert werden.
6. Verfahren (A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aneinanderausrichten des Netzmodells (3) und des Deformationsnetzmodells (11) mit einer Bedingung erfolgt, gemäß welcher ein Nulldeformationspunkt (16) des Netzmodells (3) und ein damit korrespondierender Nulldeformationspunkt (16) des Deformationsnetzmodells (11) aneinander angeordnet werden, derart, dass der aus den lokalen Abweichungsbeträgen (13) gebildete Gesamtabweichungsbetrag unter Einhaltung dieser Bedingung minimal wird.
7. Verfahren (A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den jeweiligen lokalen Abweichungsbetrag (13) zwischen dem Netzmodell (3) und dem Deformationsnetzmodell (11) ein zulässiger Toleranzbetrag vorgegeben wird und eine die Schritte S2, S3 und S4 umfassende Schleife S10 iterativ durchgeführt wird, bis der jeweilige lokale Abweichungsbetrag (13) dem zulässigen Toleranzbetrag entspricht.
8. Verfahren (A) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geometriespezialelement (18) des Netzmodells (3) und ein Geometriespezialelement (19) des Deformationsnetzmodells (11) bestimmt werden, und die Schleife S10 iterativ durchgeführt wird, bis der jeweilige lokale Abweichungsbetrag (13) zwischen den Geometriespezialelementen (18, 19) dem zulässigen Toleranzbetrag entspricht, wobei abseits der Geometriespezialelemente (18, 19) ein größerer Toleranzbetrag zugelassen wird.
9. Verfahren (A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Kurzsimulation der Wärmebehandlung das Netzmodell (3) basierend auf einer zu erwartenden Deformation skaliert wird.
10. Verfahren (B) zum additiven Herstellen eines Bauteils (2), wobei ein Material des zu fertigenden Bauteils (2) gemäß einem digitalen Druckmodell (1, 1a) des Bauteils (2) angeordnet wird, und das Material mittels einer Wärmebehandlung zu dem Bauteil (2) gefügt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Druckmodell (1, 1a) mittels eines nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildeten Verfahrens (A) bereitgestellt wird.

Images