DE102022107816A1

DE102022107816A1 - Fertigungsvorrichtung und Verfahren für die additive Fertigung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102022107816A1
Application number: DE102022107816.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Buhl; Benjamin Sydow
Original assignee: Brandenburgische Technische Univ Cottbus Senftenberg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus Senftenberg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Brandenburgische Technische Univ Cottbus Senftenberg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus Senftenberg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2022-04-01
Filing date: 2022-04-01
Publication date: 2023-10-05

Abstract

Offenbart ist eine Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks. Die Fertigungseinrichtung ist mit einem Werkstückbett (1) für das Aufnehmen eines zu fertigenden Werkstücks (2) während der schichtweisen Fertigung des zu fertigenden Werkstücks (2), einer Auftragsvorrichtung (3), welche eingerichtet ist, einen Werkstoff schichtweise auf dem Werkstückbett (1) aufzutragen, um das zu fertigende Werkstück (2) zu fertigen einer Vibrationseinrichtung (4), welche eingerichtet ist, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks (2) zu induzieren, und einer Steuervorrichtung (6) gebildet. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, die Auftragsvorrichtung (3) für die additive Fertigung des zu fertigenden Werkstücks (2) anzusteuern und die Vibrationseinrichtung (4) für das Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks (2) anzusteuern. Hierbei ist die Steuervorrichtung (6) eingerichtet ist, die Vibrationseinrichtung (4) anzusteuern, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks (4) während der additiven Fertigung zu induzieren, derart, dass mechanische Spannungen in dem zu fertigenden Werkstück (2) gemindert werden. Weiterhin ist ein Verfahren für die additive Fertigung eines Werkstücks geschaffen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fertigungsvorrichtung sowie ein Verfahren für die additive Fertigung eines Werkstücks.
Hintergrund
Additive Fertigung (englisch: Additive Manufacturing, AM) nutzt das Prinzip des schichtweisen Generierens, um dreidimensionale Körper herzustellen, wobei keine formgebenden Werkzeuge notwendig sind. Die additive Fertigung wird auch als 3D-Druck, generative Fertigung oder Rapid-Technologie bezeichnet Insbesondere bei der Verarbeitung von Metallwerkstoffen werden Energiequellen mit sehr hohen Energiedichten, wie z.B. Laser oder Lichtbogen genutzt, um das Material aufzuschmelzen und mit den bereits aufgetragenen Schichten zu verbinden. Der mit dem AM-Prozess verbundene hohe Wärmeenergieeintrag und die prozessbedingte (lokale) schnelle Erstarrung und Abkühlung des aufgetragenen Materials bewirken dabei die Entstehung von Eigenspannungen im Bauteil, die zu Verzug und ggf. Rissbildung während (in-situ) oder nach dem AM-Prozess führen. Die Eigenspannungen sind für den Einsatz der Bauteile normalerweise unerwünscht, reduzieren die ertragbaren Spannungen und stellen eine Vorbelastung dar. Durch Zugeigenspannungen sinkt die Bauteilbelastbarkeit, sodass das Bauteil früher versagt. Des Weiteren muss der Verzug während des AM-Prozesses auf ein Minimum reduziert werden, damit der AM-Prozess stabil abläuft und die Soll-Geometrie eingehalten wird. Im Falle eines anschließenden Zerspanprozesses verändert sich der Eigenspannungszustand und das Bauteil wird deformiert. Somit ist das Entstehen von Eigenspannungen möglichst zu vermeiden oder so weit wie möglich zu reduzieren.
Eine bekannte Möglichkeit, um die Eigenspannungen im fertigen Bauteil zu verringern ist ein Spannungsarmglühen in einem Ofen. Für bestimmte Anwendungen kann auch ein mechanisches Lösen der Eigenspannungen (Entspannen) erfolgen, zum Beispiel mittels Hochfrequenzhämmern. Häufig sind diese Methoden der Eigenspannungsreduktion nach einem additiven Fertigungsprozess jedoch zeit- und/oder kostenaufwendig und können auch die Rissentstehung während des Fertigungsprozesses nicht verhindern. Außerdem können größere Bauteile in möglichen eigenen Anlagen meistens nicht selbst spannungsarmgeglüht oder mechanisch stabilisiert werden, was einen Transport zu entsprechenden Anbietern notwendig macht. Des Weiteren ist es notwendig, für verschiedene Werkstoffe (beispielsweise Stahl, Titan, Aluminium, Kupfer oder Magnesium) jeweils unterschiedliche Wärmebehandlungen anzuwenden, die oft durch viel Erfahrung und Experimentieren ermittelt werden müssen. Eine zusätzliche Wärmebehandlung kann darüber hinaus notwendig werden, um den gewünschten Gefügezustand bzw. die Werkstoffeigenschaften wiederherzustellen.
Aktuell kommen in der additiven Fertigung verbreitet sogenannte Hybridprozesse zum Einsatz, bei denen Vorformen beispielsweise mittels Schmieden und/oder Walzen hergestellt und nur noch ausgewählte Geometrieelemente mittels einer additiven Fertigung generiert werden. Ein besonderer Vorteil dieser Verfahren ist, dass die Mikrostruktur und damit auch die Eigenschaften der Vorformen exakt eingestellt werden kann. Werden die durch hybride Verfahren gefertigten Bauteile einer Wärmebehandlung unterzogen, um Spannungen in den additiv gefertigten Strukturen zu mindern, verschlechtern sich jedoch die eingestellten Eigenschaften wieder.
Eine an sich bekannte jedoch im Zusammenhang mit der additiven Fertigung nicht eingesetzte Methode zur Reduktion von Eigenspannungen ist das Vibrationsentspannen. Dieses Verfahren wird aktuell nur bei großen Gussbauteilen (Masse größer 100 kg) oder Schweißkonstruktionen nach der Fertigung erfolgreich eingesetzt. Vibrationsentspannen für kleinere Bauteile und insbesondere Vibrationsentspannen während der Bauteilherstellung ist bisher nicht erfolgt.
Da das Bauteil bei der additiven Fertigung von Grund auf generiert wird und zu Beginn eine sehr geringe Masse aufweist, sind die Eigenfrequenzen des Bauteils zumindest in frühen Stadien des Fertigungsprozesses sehr hoch. Fertige Bauteile erreichen andererseits wenige hundert Kilogramm und bestehen aus komplexen, großen Geometrien, die sehr niedrige Eigenfrequenzen bedingen. Um das Bauteil in den gewünschten Schwingungsmodi (Vielfachen der Eigenfrequenz für verschiedene Schwingformen) zum Schwingen zu bringen, müssen die Erregerfrequenzen die Eigenfrequenzen möglichst genau erreichen (Resonanzfall). Übliche Unwuchterreger müssen hierzu sehr hohe Drehzahlen erreichen, die technisch aufwendig zu realisieren sind. Auch aus diesem Grund ist die Verwendung und Wirkung des Vibrationsentspannens während der additiven Fertigung bisher nicht bekannt. Abhängig von der Ofenverfügbarkeit bzw. Ofengröße ist die mögliche Bauteilgröße eingeschränkt. Verschiedene Werkstoffe erfordern viel Know-how für den Prozess des Spannungsarmglühens und der Gefügezustand bzw. die Werkstoffeigenschaften können ggf. nach dem Spannungsarmglühen nicht mit einer Wärmebehandlung wiederhergestellt werden.
Das Dokument WO 2013/140147 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Bilden einer metallischen Komponente durch additive Schichtherstellung. Das Verfahren umfasst die Schritte des Verwendens einer Wärmequelle, wie beispielsweise eines Lasers, um die Oberfläche eines Werkstücks zu schmelzen und ein Schweißbad zu bilden. Draht oder pulverisiertes metallisches Material wird zum Schweißbad hinzugefügt und die Wärmequelle wird relativ zum Werkstück bewegt, um fortschreitend eine neue Schicht aus metallischem Material auf dem Werkstück zu bilden. Anschließend erfolgt eine erzwungene Kühlung der gebildeten Schicht. Spannungen in der gekühlten Schicht werden durch Anwenden einer lokalen Verfestigung (Peening) reduziert, beispielsweise mit einem gepulsten Laser (Laser Peening). Die Schritte werden nach Bedarf wiederholt, um die Komponente Schicht für Schicht zu bilden. Bei diesem Verfahren ergibt sich durch den notwendigen Schritt des Abkühlens der gebildeten Schicht ein erhöhter Zeitaufwand. Zudem ist nur eine Reduktion lokaler, oberflächennaher Eigenspannungen möglich. Weiterhin geht das Peening mit einer lokalen Deformation und/oder Beschädigung und gegebenenfalls einem Materialverlust einher.
Zusammenfassung
Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte Technologien für die additive Fertigung von Werkstücken anzugeben, bei denen insbesondere Eigenspannungen in dem Werkstück reduziert sind.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 geschaffen. Weiterhin ist ein Verfahren für die additive Fertigung eines Werkstücks nach einem weiteren unabhängigen Anspruch bereitgestellt. Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Nach einem Aspekt ist eine Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks bereitgestellt. Die Fertigungsvorrichtung ist mit einem Werkstückbett für das Aufnehmen eines zu fertigenden Werkstücks während der schichtweisen Fertigung des zu fertigenden Werkstücks, einer Auftragsvorrichtung, einer Vibrationseinrichtung und einer Steuervorrichtung gebildet. Die Auftragsvorrichtung ist eingerichtet, einen Werkstoff schichtweise auf dem Werkstückbett aufzutragen, um das zu fertigende Werkstück zu fertigen. Die Vibrationseinrichtung ist eingerichtet, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks zu induzieren. Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, die Auftragsvorrichtung für die additive Fertigung des zu fertigenden Werkstücks anzusteuern und die Vibrationseinrichtung für das Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks anzusteuern. Hierbei ist die Steuervorrichtung weiterhin eingerichtet, die Vibrationseinrichtung anzusteuern, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks während der additiven Fertigung zu induzieren, derart, dass mechanische Spannungen in dem zu fertigenden Werkstück gemindert werden.
Nach einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren für die additive Fertigung eines Werkstücks geschaffen. Das Verfahren umfasst die Schritte des schichtweisen Auftragens eines zu fertigenden Werkstücks auf ein Werkstückbett für das Aufnehmen des zu fertigenden Werkstücks mittels einer Auftragsvorrichtung und das Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks während des schichtweisen Auftragens mittels einer Vibrationseinrichtung, derart, dass mechanische Spannungen in dem zu fertigenden Werkstück gemindert werden.
Mechanische Spannungen in einem zu fertigenden Werkstück entstehen nach der Erstarrung des aufgetragenen Materials während des mit der Abnahme der Temperatur einhergehenden Schrumpfprozesses. Das Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks während der additiven Fertigung im Sinne der vorliegenden Offenbarung umfasst eines oder mehrere von Induzieren einer Vibration während des Aufbringens einer Schicht, Induzieren einer Vibration zwischen dem Aufbringens von zwei Schichten und Induzieren einer Vibration in direktem Anschluss an das Aufbringen der letzten Schicht des Fertigungsprozesses, insbesondere bevor das zu fertigende Bauteil abgekühlt ist, wodurch eine Restwärme des additiven Fertigungsprozesses ausgenutzt werden kann, und/oder bevor das zu fertigende Bauteil von dem Werkstückbett entfernt wird. Somit ist das aufgetragene Material noch heiß bzw. warm während die Vibration induziert wird, so dass es unter der induzierten Vibration entspannt wird, wodurch beim Erkalten das Entstehen von Spannungen reduziert oder unterbunden ist. Insbesondere kann durch eine Nutzung von Restwärme des additiven Fertigungsprozesses die Notwendigkeit eines zusätzlichen Spannungsarmglühprozesses verhindert sein. Weiterhin kann gegebenenfalls eine geometrische Genauigkeit des zu fertigenden Werkstücks deutlich erhöht sein, indem eine Deformation durch bei der Abkühlung entstehende mechanische Spannungen vermieden ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es insbesondere ermöglicht, mechanische Spannungen in dem zu fertigenden Werkstück zu mindern, ohne dass ein (gezieltes) Abkühlen des zu fertigenden Werkstücks vorgesehen ist. Insbesondere kann eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks induziert werden, während der schichtweise aufgetragene Werkstoff noch nicht oder noch nicht vollständig erstarrt ist. Weiterhin ist es mit der Vorrichtung und dem Verfahren insbesondere ermöglicht, mechanische Spannungen in dem zu fertigenden Werkstück zerstörungsfrei zu mindern. Weiterhin kann es ermöglicht sein, eine Porosität durch Herauslösen von Gaseinschlüssen in der Schmelze bzw. während der Entspannung oder die Mikrostruktur durch Einflussnahme auf das Kornwachstum während der Erstarrung und/oder im Abkühlprozess bei Rekristallisationstemperatur zu verbessern.
In Ausführungen, in denen die Auftragsvorrichtung für die schichtweise Fertigung Nähte (insbesondere Schweißnähte) aufbringt, kann es ermöglicht sein, mittels einer induzierten Vibration eine Nahtgeometrie positiv zu beeinflussen lässt, sodass die Naht beispielsweise breiter und flacher ausfallen kann. Hierbei bewegt sich die Nahtgeometrie aufgrund der Vibration (zusätzlich zu einer ohnehin durch den Fertigungsprozess bedingten Bewegung), wobei dies separat von einem Entspannen erfolgen kann, sich jedoch Synergieeffekte mit dem Vorgang des Entspannens einstellen können. Auf diese Weise können Nahtfehler reduziert sein und oder ein Gewinn in der Fertigungsgenauigkeit ermöglicht sein.
Die Steuervorrichtung kann eine beliebige für die Ansteuerung der Auftragsvorrichtung und der Vibrationseinrichtung geeignete Vorrichtung sein. Insbesondere kann die Steuervorrichtung eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer, aufweisen. Die Steuervorrichtung kann eine einzelne Vorrichtung sein oder mit mehreren Vorrichtungen, beispielsweise elektronischen Datenverarbeitungseinrichtungen, gebildet sein. Beispielsweise können für die Ansteuerung der Auftragsvorrichtung und für die Ansteuerung der Vibrationseinrichtung jeweils eine oder mehrere getrennte Vorrichtungen vorgesehen sein, welche aufeinander abgestimmt bzw. in Kommunikation miteinander arbeiten und gemeinsam die Steuervorrichtung bilden.
Durch das offenbarungsgemäße Vibrationsentspannen kann eine besonders effektive Reduktion von Eigenspannungen additiv gefertigter Bauteile erreicht sein, da insbesondere zu Beginn des eines additiven Fertigungsprozesses die Wirkung der Eigenspannungen aufgrund einer starken bzw. schnellen Abkühlung am signifikantesten ist, wobei eine rasche Abkühlung zur Entstehung von hohen Eigenspannungen führt und das Bauteil entsprechend stark deformiert wird.
Die Auftragsvorrichtung kann für das schichtweise Auftragen eines metallischen Werkstoffs eingerichtet sein. Alternativ kann die Auftragsvorrichtung für die Verarbeitung eines nicht-metallischen Werkstoffs, zum Beispiel eines Kunststoffs, oder einer Mischung von metallischen und nicht-metallischen Werkstoffen eingerichtet sein. Maßgeblich ist hierbei die Eignung des verwendeten Werkstoffs bzw. der verwendeten Werkstoffmischung für die additive Fertigung.
Die Auftragsvorrichtung kann für eine pulverbettbasierte additive Fertigung eingerichtet sein. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Werkstoff in Pulverform flächig auf das Werkstückbett aufgebracht wird und dass die Auftragsvorrichtung eine Vorrichtung zum lokalen Aufschmelzen des Pulvers aufweist. Hierbei wird dann für die schichtweise Fertigung des zu fertigenden Werkstücks das Pulver lokal aufgeschmolzen, so dass es sich mit gegebenenfalls bereits vorhandenen Schichten des zu fertigenden Werkstücks verbindet und nach dem Erstarren eine Schicht des zu fertigenden Werkstücks bildet. Im Falle eines pulverbettbasierten Verfahrens der additiven Fertigung (wie z.B. das Selektive Laserschmelzen, SLM) kann das Vibrationsentspannen während des Prozesses zu Bewegungen des Pulverbetts führen und hierdurch Bauteilfehler verursachen. Um dies zu verhindern, kann vorgesehen sein, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks während der Belichtungspause und vor dem Auftragen einer neuen Pulverschicht zu induzieren.
Die Auftragsvorrichtung kann eine Zuführvorrichtung für das Zuführen eines Werkstoffs während der schichtweisen Fertigung aufweisen. Hierbei kann der Werkstoff beispielsweise als feines Metall- oder Keramikpulver zugeführt werden, welches mit einem Gas gemischt über Düsen, zum Beispiel Schlepp- oder Koaxialdüsen, zugeführt oder eingebracht wird. Alternativ kann der Werkstoff als Draht oder Band zugeführt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Werkstoff während der schichtweisen Fertigung von außen bzw. von einem Werkstoffspeicher der Auftragsvorrichtung zugeführt und direkt lokal an der Stelle des Auftrags auf das zu fertigenden Werkstücks mittels einer entsprechenden Aufschmelzvorrichtung der Auftragsvorrichtung aufgeschmolzen wird, so dass sich der Werkstoff mit gegebenenfalls bereits vorhandenen Schichten des zu fertigenden Werkstücks verbindet und nach dem Erstarren eine Schicht des zu fertigenden Werkstücks bildet.
Die Auftragsvorrichtung kann eine Vorrichtung für das als solches bekannte Lichtbogenauftragschweißen mit den hierfür notwendigen Vorrichtungen und Komponenten umfassen. Hierbei kann die Auftragsvorrichtung eingerichtet sein, das Werkstück mittels eines Lichtbogens aufzuschmelzen und einen Werkstoff zuzuführen, der an der erhitzten Stelle des Werkstücks aufschmilzt und sich mit diesem verbindet. Hierbei kann der Werkstoff beispielsweise als feines Metallpulver zugeführt werden, welches mit einem Gas gemischt über Düsen, zum Beispiel Schlepp- oder Koaxialdüsen, eingebracht wird. Alternativ kann der Werkstoff als Draht oder Band zugeführt werden. Auf diese Weise kann das zu fertigende Werkstück schichtweise gefertigt werden. Das Lichtbogenauftragschweißen ist als solches bekannt und die Auftragsvorrichtung kann die für das Lichtbogenauftragschweißen notwendigen Vorrichtungen und Komponenten umfassen.
Die Auftragsvorrichtung kann eine Vorrichtung für das Laser-Strahlschmelzen umfassen. Insbesondere kann die Auftragsvorrichtung eingerichtet sein, den zu verarbeitenden Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf das Werkstückbett oder eine vorhergehende Schicht des zu fertigenden Werkstücks aufzubringen und mittels Laserstrahlung lokal vollständig umzuschmelzen, um nach der Erstarrung eine feste Materialschicht zu bilden. Auf diese Weise kann das zu fertigende Werkstück schichtweise gefertigt werden. Das Laser-Strahlschmelzen ist als solches bekannt und die Auftragsvorrichtung kann die für das Laser-Strahlschmelzen notwendigen Vorrichtungen und Komponenten umfassen.
Die Auftragsvorrichtung kann eine Vorrichtung für das Laserauftragschweißen umfassen. Insbesondere kann die Auftragsvorrichtung eingerichtet sein, das Werkstück mittels eines Lasers aufzuschmelzen und einen Werkstoff zuzuführen, der an der erhitzten Stelle des Werkstücks aufschmilzt und sich mit diesem verbindet. Hierbei kann der Werkstoff beispielsweise als feines Metall- oder Keramikpulver zugeführt werden, welches mit einem Gas gemischt über Düsen, zum Beispiel Schlepp- oder Koaxialdüsen, eingebracht wird. Alternativ kann der Werkstoff als Draht oder Band zugeführt werden. Auf diese Weise kann das zu fertigende Werkstück schichtweise gefertigt werden. Das Laserauftragschweißen ist als solches bekannt und die Auftragsvorrichtung kann die für das Laserauftragschweißen notwendigen Vorrichtungen und Komponenten umfassen.
Allgemein kann die Auftragsvorrichtung für die Ausführung eines beliebigen als solchen bekannten Verfahrens der additiven Fertigung ausgebildet sein und die hierfür notwendigen Vorrichtungen und Komponenten umfassen. Die Auftragsvorrichtung kann als hybride Vorrichtung ausgebildet sein, welche für die parallele und/oder sequentielle Ausführung mehrerer als solche bekannten Verfahren der additiven Fertigung ausgebildet ist und die hierfür notwendigen Vorrichtungen und Komponenten umfasst.
Die Fertigungsvorrichtung kann für die additive Fertigung eines Werkstücks eingerichtet sein, dessen Masse zum Ende des Fertigungsprozesses weniger als 100 kg beträgt. In einer Ausführung kann die Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks eingerichtet sein, dessen Masse zum Ende des Fertigungsprozesses weniger als 50 kg beträgt. Insbesondere kann die Fertigungsvorrichtung hinsichtlich ihrer Abmessungen, der Stabilität ihrer Komponenten und/oder die von antreibenden Komponenten aufbringbaren Kräfte auf die Fertigung von Werkstücken mit bestimmten maximalen Endmassen angepasst sein. Ein zu fertigendes Werkstück mit einer geringen Masse von wenigen Kilogramm (in einem Zwischenstadium während oder nach Abschluss der schichtweisen Fertigung) weist eine gegenüber üblichen Frequenzen bekannter Systeme für das Vibrationsentspannen hohe Eigenfrequenzen von bis zu einigen Kilohertz auf, die mit konventionellen Erregersystemen (z.B. 12,5 Hz bis 100 Hz bei üblichen Unwuchterregern) nicht erreicht werden können. Die Eigenfrequenzen des zu generierenden Bauteils sind im Wesentlichen von der Masse, der Geometrie und den Werkstoffeigenschaften abhängig und erstrecken sich über einen Bereich von wenigen Hertz bis hin zu mehreren Kilohertz. Um einen breiten Einsatzbereich bereitzustellen, kann die Vibrationseinrichtung eingerichtet sein, im Vergleich zu bekannten Systemen für das Vibrationsentspannen sehr hohe und zum anderen auch sehr tiefe Erregungsfrequenzen (beispielsweise im Bereich unter 100 Hz) zu erzeugen.
Die Vibrationseinrichtung kann für die berührungslose Induktion einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks eingerichtet sein. Insbesondere kann die Vibrationseinrichtung mit einem berührungslosen Erregersystem gebildet sein, welches berührungslos eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks induziert. Die berührungslose Induktion einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks kann eine berührungslose Induktion einer Vibration des Werkstückbetts umfassen. Da das zu fertigende Werkstück an dem Werkstückbett aufgenommen ist, führt die Vibration des Werkstückbetts zu einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks. In einer solchen Ausführung einer berührungslosen Induktion einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks ist die ursprüngliche Induktion der Vibration in dem Werkstückbett berührungslos, während die Vibration dann berührend bzw. taktil von dem Werkstückbett auf das zu fertigende Werkstück übertragen wird.
Bei einem berührungslosen Erregersystem können gezielt das gesamte zu fertigende Werkstück und/oder einer oder einzelne Bereiche des zu fertigenden Werkstücks zu einer Vibration angeregt werden. Dabei kann insbesondere in den Bereichen des zu fertigenden Werkstücks mit dem größten Temperaturgradienten eine Vibration induziert werden. Die Erregung (Induktion einer Vibration) einer umgebenden Peripherie eines so gezielt erregten Bereichs kann weitgehend vermieden werden.
Mit einer berührungslosen Induktion von Vibrationen, also der Nutzung berührungslose Erregersysteme, können durch den kontaktlosen Betrieb Einschränkungen bezüglich eines benötigten Raums oder Befestigungsmöglichkeiten reduziert sein oder entfallen. Es kann eine hohe Dynamik bereitgestellt sein, da eine bewegte Masse gering oder eliminiert ist. Dies kann insbesondere für sehr hohe Erregerfrequenzen vorteilhaft sein. Zudem kann eine Beeinflussung einer Eigenfrequenzmessung des Gesamtsystems durch Kontakt mit dem zu fertigenden Werkstück bzw. dem Werkstückbett vermieden sein. Weiterhin kann eine hohe thermische Belastung des Erregersystems vermieden sein.
Gemäß einer Ausführung kann die Vibrationseinrichtung eine Spulenvorrichtung umfassen, um eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks mittels elektromagnetischer Induktion zu induzieren. In einer solchen Ausführung ist die Auftragsvorrichtung für die Bearbeitung eines, insbesondere metallischen, Werkstoffs mit einer für die elektromagnetische Induktion ausreichend hohen spezifischen elektrischen Leitfähigkeit eingerichtet. Insbesondere kann die Spulenvorrichtung von einem Erregersystem der Vibrationseinrichtung umfasst sein. Durch eine elektrische Regelung der Ein- und Ausschaltvorgänge der Spulenvorrichtung können sehr hohe aber auch sehr niedrige Frequenzen realisiert werden. Der Grundaufbau des Erregersystems kann eine Induktionseinheit umfassen, welche die mit einer elektrischen Spule gebildete Spulenvorrichtung und dazugehörige Regelelektronik beinhaltet und in einer biegesteifen Befestigung integriert ist. Die Vibrationseinrichtung kann eine Wasserkühlung umfassen, mit der insbesondere die Handhabung der aus einer hohen notwendigen elektromagnetischen Dynamik resultierenden Abwärme und ein Schutz gegen externe Wärmeeinwirkung realisiert sein kann. Im Falle einer additiven Fertigung unter Nutzung eines Lichtbogens kann der Einfluss der elektromagnetischen Erregung auf den Lichtbogen auf ein vernachlässigbar kleines Maß reduziert werden, indem die Spulenvorrichtung in ausreichender Entfernung zum zu fertigenden Werkstück bzw. zu einem Werkstückbereich angeordnet ist.
Die Vibrationseinrichtung kann eine Schallerzeugungsvorrichtung umfassen, um eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks mittels Aussenden von Schallwellen auf das zu fertigende Werkstück zu induzieren. Insbesondere kann die Schallerzeugungsvorrichtung mit einem Schallwellengenerator mit großem Frequenzbereich gebildet sein, mit dem auf das zu fertigende Werkstück und/oder das Werkstückbett Druckstöße ausgeübt werden können, die zu einer Schwingung führen. Hierdurch kann die Verwendung in Verbindung mit einer Auftragsvorrichtung ermöglicht sein, die für die Verarbeitung von Materialien mit niedrigerer spezifischer elektrischer Leitfähigkeit eingerichtet ist, da auch solche Materialien in Schwingung versetzt werden können. Zudem kann eine Temperaturabhängigkeit der Induktion einer Vibration in das zu fertigende Werkstück reduziert sein, da auch die magnetische Suszeptibilität, die für eine elektromagnetische Anregung maßgeblich ist, stark temperaturabhängig ist.
Die Vibrationseinrichtung kann eingerichtet sein, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks berührend oder taktil zu induzieren. Im Falle einer berührenden oder taktilen Induktion einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks kann die Fertigungseinrichtung eine Übertragungsvorrichtung aufweisen, um die Vibration von der Vibrationseinrichtung auf das zu fertigende Werkstück zu übertragen. Beispielsweise können steife Komponenten eine Verbindung zwischen der Vibrationseinrichtung und dem zu fertigenden Werkstück herstellen, über welche eine von der Vibrationseinrichtung bereitgestellte Vibration übertragen wird. Die Übertragungsvorrichtung kann mit dem Werkstückbett gebildet sein. In diesem Fall kann eine mittels der Vibrationseinrichtung bereitgestellte Vibration von der Vibrationseinrichtung, direkt oder über weitere Komponenten, auf das Werkstückbett übertragen werden, so dass das Werkstückbett vibriert. Da das zu fertigende Werkstück an dem Werkstückbett aufgenommen ist, führt die Vibration des Werkstückbetts zu einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks.
In einer Ausführung einer Vibrationseinrichtung für eine berührende oder taktile Induktion einer Vibration kann die Vibrationseinrichtung einen Piezoaktuator umfassen, der eingerichtet ist, eine auf das zu fertigende Werkstück zu induzierende Vibration zu erzeugen. Mit der Verwendung eines Piezoaktuators kann eine hohe Dynamik erreicht sein. Zudem kann eine gute Regelbarkeit erreicht sein. In einer beispielhaften Ausführung kann die Vibrationseinrichtung einen stiftförmigen Piezoaktuator umfassen, dessen vibrierende Spitze auf dem Werkstückbett aufliegt und so eine Vibration des Werkstückbetts und mittelbar eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks induziert.
Alternativ oder zusätzlich kann die Vibrationseinrichtung für eine berührende oder taktile Induktion einer Vibration eine rotierende Unwucht umfassen, die eingerichtet ist, eine auf das zu fertigende Werkstück zu induzierende Vibration zu erzeugen. Auf diese Weise kann die Vibrationseinrichtung mit einem Unwuchterzeuger gebildet sein. Zum Beispiel kann die Vibrationseinrichtung als Vibrationstisch gebildet sein, in dem zur Erzeugung einer Vibration wenigstens eine rotierende Unwucht angeordnet ist und mit welchem das Werkstückbett berührend verbunden ist, um eine Vibration des Vibrationstischs auf das Werkstückbett und somit auf das zu fertigende Werkstück zu übertragen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Werkstückbett auf dem Vibrationstisch angeordnet ist.
Für die Vibrationseinrichtung kann eine Kombination eines Piezoaktuators mit einer rotierenden Unwucht vorgesehen sein, wobei insbesondere mittels des Piezoaktuators hohe Frequenzen und mittels der rotierenden Unwucht niedrige Frequenzen des zu fertigenden Werkstücks induziert werden kann. Hierbei können die vorangehend im Zusammenhang mit dem Piezoaktuator und mit der rotierenden Unwucht beschriebenen Ausführungen entsprechend vorgesehen sein. In diesem Zusammenhang ist unter einer niedrigen Frequenz eine Frequenz zu verstehen, für deren Erzeugung im Zusammenhang mit der übrigen Ausgestaltung der Fertigungsvorrichtung eine rotierende Unwucht nach fachmännischen Maßstäben sinnvoll geeignet ist. Entsprechend ist eine hohe Frequenz in diesem Zusammenhang eine Frequenz, die höher ist als eine maximale Frequenz, für deren Erzeugung im Zusammenhang mit der übrigen Ausgestaltung der Fertigungsvorrichtung eine rotierende Unwucht noch geeignet ist, insbesondere im Hinblick auf zu realisierende Drehzahlen der rotierenden Unwucht.
Allgemein kann für die Vibrationseinrichtung eine Kombination verschiedener Erregersysteme (Vorrichtungen für das Erzeugen einer Vibration) vorgesehen sein, welche unterschiedliche Bereiche erzeugbarer Vibrationsfrequenzen abdecken, um für die Vibrationseinrichtung einen breiten Bereich von Frequenzen bereitzustellen, mit denen eine Vibration in dem zu fertigenden Werkstück induziert werden kann. In diesem Zusammenhang können die vorangehend im Zusammenhang mit einzelnen Erregersystemen beschriebenen Ausgestaltungen jeweils entsprechend vorgesehen sein.
Das Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks führt allgemein zu einer Vibration des gesamten Werkstücks oder zu einer Vibration von Abschnitten des Werkstücks, die über eine lokale, insbesondere nur oberflächennahe, (Einzel-) Deformation hinausgeht. Durch die Vibration werden in dem zu fertigenden Werkstück Zug/Druck-Spannungen und Dehnungen induziert, wobei sich die gewünschte Wirkung einer Minderung mechanischer Spannungen insbesondere aufgrund der gewählten Frequenz und Amplitude sowie der Schwingspielzahl einstellt. Allgemein kann eine Beeinflussung des gesamten Bauteils durch das Induzieren einer Vibration vorgesehen sein, wobei der Effekt der Minderung von mechanischen (Eigen-) Spannungen in dem zu fertigenden Werkstück abhängig von einer lokalen Temperatur ist.
Die Vibrationseinrichtung kann eingerichtet sein, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks mit einer Frequenz zu induzieren, die gleich einer Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks ist. Hierbei kann zum Zweck der Bestimmung der Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks das zu fertigende Werkstück auch weitere Komponenten umfassen, welche die relevante Eigenfrequenz für das Erreichen einer Resonanz beim Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks mitbestimmen. Beispielsweise kann für die Bestimmung der Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks das Werkstückbett mitberücksichtigt werden, insbesondere in Ausführungen, in denen das Werkstückbett zusammen mit dem zu fertigenden Werkstück vibriert.
Während das Induzieren einer Vibration mit einer Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks gemäß bevorzugten Ausgestaltungen erwünscht ist, kann es in anderen Ausgestaltungen insgesamt oder in einzelnen Stadien der schichtweisen Fertigung des zu fertigenden Werkstücks unerwünscht sein, eine Vibration mit einer Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks zu induzieren. Zum Beispiel kann eine Bauteilgeometrie das Risiko einer Beschädigung des zu fertigenden Werkstücks im Resonanzfall bedingen, beispielsweise eine Beschädigung verbindender Strukturen in Form dünner Stege oder Stäbe. In diesem Fall können bei dem Induzieren einer Vibration kritische Frequenzen vermieden werden. Hierbei kann insbesondere durch eine Vibrationseinrichtung, die eine Induktion einer Vibration in einem großen Frequenzbereich ermöglicht (beispielsweise eine Vibrationseinrichtung mit einer Kombination eines Piezoaktuators mit einer rotierenden Unwucht), eine bessere Regelbarkeit der Vibration ermöglichen, so dass ein Vermeiden kritischer Frequenzen ermöglichst ist.
Die Fertigungsvorrichtung, insbesondere das Werkstückbett, kann eingerichtet sein, extreme Eigenfrequenzen des Werkstücks zu vermeiden. Insbesondere kann das Werkstückbett ausgelegt sein, mit dem zu fertigenden Werkstück ein Schwingsystem mit der relevanten Eigenfrequenz für das Erreichen einer Resonanz beim Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks zu bilden, welches während der schichtweisen Fertigung des zu fertigenden Werkstücks keine extremen Eigenfrequenzen aufweist. Das Werkstückbett kann austauschbar sein und es kann ein Set von unterschiedlichen Werkstückbetten bereitgestellt sein, wobei für die schichtweise Fertigung eines gegebenen zu fertigenden Werkstücks ein Werkstückbett zur Verwendung in der Fertigungsvorrichtung ausgewählt wird, welches in Kombination mit dem zu fertigenden Werkstück dazu führt, dass sich während der schichtweisen Fertigung keine unerwünschten (extremen) Eigenfrequenzen einstellen.
Bei dem Verfahren für die additive Fertigung eines Werkstücks kann vorgesehen sein, mittels einer Steuervorrichtung wiederholt die folgenden Schritte durchzuführen:

- Ansteuern der Auftragsvorrichtung, derart, dass die Auftragsvorrichtung wenigstens eine Schicht des zu fertigenden Werkstücks aufträgt;
- Bestimmen einer aktuellen Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks nach Auftrag der wenigstens einen Schicht; und
- Ansteuern der Vibrationseinrichtung, derart, dass eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks mit der aktuellen Eigenfrequenz induziert wird.

Hierbei werden diese Schritte wiederholt, bis die Fertigung des zu fertigenden Bauteils abgeschlossen ist.
In einer solchen Ausgestaltung kann insbesondere eine Regelung bereitgestellt sein, welche ein Ansteuern der Vibrationseinrichtung zum Erzeugen einer Vibration mit einer aktuellen Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks erlaubt, welche sich durch die sukzessiv erweiterte Bauteilgeometrie und die inhomogene Temperaturverteilung im Bauteil ändert und vorzugsweise auch sich ändernde Schwingungsmodi des zu fertigenden Werkstücks berücksichtigt. Eine solche Regelung kann auf einem Modell basieren, welches die masse- bzw. werkstoff-, geometrie- und temperaturabhängigen Parameter berücksichtigt. Die Einspannung des Werkstückbetts bzw. Substrates, auf dem das Bauteil aufgebaut wird, kann ebenfalls berücksichtigt werden. Hierbei kann das Reglermodell verschiedene Eingangsmessgrößen verarbeiten, zum Beispiel Temperaturen, Geometrie, mittels z.B. Modalhammer separat ermittelte Eigenfrequenz zum Abgleichen oder auch Spannkräfte als Qualitätsparameter für das Vibrationsentspannen. Zu diesem Zweck kann die Fertigungsvorrichtung mit entsprechenden Messvorrichtungen gebildet sein, welche für die entsprechenden Eingangsmessgrößen Messwerte bestimmen und den betreffenden Messwerten entsprechende Messdaten an die Steuervorrichtung übertragen, welche die Regelung bereitstellt. Auf diese Weise kann ein für den aktuellen Bauteilzustand optimiertes Vibrationsentspannen ermöglicht sein. Insbesondere kann mittels eines (idealerweise vorausschauenden) Reglermodells die Induktion einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks immer in einem angesichts der stetigen Veränderungen des Bauteilzustandes optimalen Prozessfenster erfolgen, insbesondere bezüglich Frequenz und Amplitude der Vibration.
Das Bestimmen der aktuellen Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks kann Bestimmen der aktuellen Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstück in Verbindung mit weitere Komponenten umfassen, welche die relevante aktuelle Eigenfrequenz für das Erreichen einer Resonanz beim Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks mit bestimmen. Beispielsweise kann für das Bestimmen der aktuellen Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks das Werkstückbett mitberücksichtigt werden, insbesondere in Ausführungen, in denen das Werkstückbett zusammen mit dem zu fertigenden Werkstück vibriert.
Das Bestimmen der aktuellen Eigenfrequenzen kann mittels einer oder mehrere an sich bekannter Vorrichtungen erfolgen, beispielsweise Piezosensoren und/oder Modalhammer. Alternativ oder zusätzlich kann die aktuelle Eigenfrequenz berechnet werden. In einer Ausgestaltung können alle während der schichtweisen Fertigung relevanten aktuellen Eigenfrequenzen im Vorhinein berechnet werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Bestimmens einer Endbedingung für das Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks umfassen. Hierbei wird das Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks in Reaktion auf das Bestimmen der Endbedingung beendet. Zum Beispiel kann eine Messung von Eigenspannungen des zu fertigenden Werkstücks vorgesehen sein und die Endbedingung kann bestimmt werden, wenn die Eigenspannungen einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreiten. Alternativ oder zusätzlich kann die Endbedingung in Form eines Zielwerts für eine Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks bereitgestellt sein, wobei dann die Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks gemessen wird und die Endbedingung bestimmt wird, wenn die Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks den Zielwert erreicht. Hierbei kann der Zielwert beispielsweise in einem Simulationsverfahren betreffend die Fertigung des zu fertigenden Werkstücks bestimmt werden. In derartigen Ausgestaltungen umfasst die Fertigungsvorrichtung eine entsprechende Messvorrichtung für das Erfassen eines für das Bestimmen der Endbedingung erforderlichen Messwerts.
Die vorangehend in Zusammenhang mit der Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks beschriebenen Ausgestaltungen können für das Verfahren für die additive Fertigung eines Werkstücks entsprechend vorgesehen sein und umgekehrt.
Gemäß der Offenbarung ist eine Fertigungsvorrichtung für die urformende Fertigung eines Werkstücks geschaffen, mit

- einer Werkstückaufnahme für das Aufnehmen eines zu fertigenden Werkstücks während der urformenden Fertigung des zu fertigenden Werkstücks;
- einer Urformvorrichtung, welche eingerichtet ist, einen Werkstoff in die Werkstückaufnahme einzubringen und hierbei das zu fertigende Werkstück urformend zu fertigen;
- einer Vibrationseinrichtung, welche eingerichtet ist, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks zu induzieren; und
- einer Steuervorrichtung, die eingerichtet ist,
- - die Urformvorrichtung für die urformende Fertigung des zu fertigenden Werkstücks anzusteuern und
- - die Vibrationseinrichtung für das Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks anzusteuern,

Weiterhin ist ein Verfahren für die urformende Fertigung eines Werkstücks mit den folgenden Schritten geschaffen:

- Einbringen eines zu fertigenden Werkstücks in eine Werkstückaufnahme für das Aufnehmen des zu fertigenden Werkstücks mittels einer Urformvorrichtung, zum urformenden Fertigen des zu fertigenden Werkstücks; und
- Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks während des Einbringens mittels einer Vibrationseinrichtung, derart, dass mechanische Spannungen in dem zu fertigenden Werkstück gemindert werden.

Beispielsweise kann die urformende Fertigung ein Gießen, Spritzgießen oder verwandtes Verfahren Fertigungsverfahren umfassen. Hierbei ist die Werkstückaufnahme mit einer Guss- oder entsprechenden Form gebildet und die Urformvorrichtung bringt für die urformende Fertigung einen flüssigen Werkstoff in die Form ein.
In diesem Zusammenhang wird unter einer urformenden Fertigung im Sinne der Offenbarung auch ein urformender Anteil eines anderen Fertigungsverfahrens verstanden, insbesondere das Herstellen einer Schweiß- oder Lötnaht im Rahmen eines Fügeverfahrens. So können die Fertigungsvorrichtung und das Verfahren für die urformende Fertigung eines Werkstücks der Minderung von Spannungen in einer Schweißnaht während eines Fügeverfahrens mittels Schweißen dienen.
Im Zusammenhang mit der Fertigungsvorrichtung für die urformende Fertigung eines Werkstücks und dem Verfahren für die urformende Fertigung eines Werkstücks können die vorangehen in Zusammenhang mit der Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks und dem Verfahren für die additive Fertigung eines Werkstücks beschriebenen Ausführungen entsprechend vorgesehen sein.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks;
2 eine schematische Darstellung einer anderen Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks;
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks;
4 eine schematische Darstellung noch einer weiteren Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks; und
5 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Regelung eines Verfahrens für die additive Fertigung eines Werkstücks.

Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks. Auf einem Werkstückbett 1 der Fertigungsvorrichtung ist ein zu fertigendes Werkstück bzw. Bauteil 2 angeordnet.
Das Bauteil 2 wird in einem additiven Fertigungsprozess schichtweise auf dem Werkstückbett bzw. Substrat 1 aufgetragen. Hierzu ist die Fertigungsvorrichtung mit einer Auftragsvorrichtung 3 gebildet. In der beispielhaften Ausgestaltung gemäß der 1 ist die Auftragsvorrichtung für eine additive Fertigung gemäß dem Prinzip des Lichtbogenauftragschweißens (englisch:Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) eingerichtet. Hierbei wird ein Schweißzusatzwerkstoff in Form von Schweißdraht mithilfe eines Lichtbogens abgeschmolzen und gleichzeitig die bereits aufgetragene Schicht aufgeschmolzen, um eine stoffschlüssige Verbindung zu erzielen. Das gesamte Werkstück bzw. das Bauteil wird sukzessive mit einzelnen Schweißnähten aufgebaut. In der dargestellten Ausführung bewegt sich die Auftragsvorrichtung 3 hierzu entlang einer Vorschubrichtung v_w in zwei Dimensionen x, y über die Oberfläche des Werkstückbetts 1, um eine neue Schicht 2a auf das Bauteil 2 aufzutragen. Nach Abschluss einer Schicht bewegt sich die Auftragsvorrichtung 3 in einer dritten Dimension z nach oben, um dann das Auftragen einer weiteren Schicht zu beginnen.
Für ein Vibrationsentspannen während der additiven Fertigung weist die Fertigungsvorrichtung eine Vibrationseinrichtung 4 auf, deren Hauptkomponente in der Ausführung gemäß 1 eine Induktionsspule 5 ist, die elektronisch geregelt ein dynamisches Magnetfeld erzeugt. Die elektromagnetischen Kräfte wirken auf das Substrat 1 ein und versetzen es in Schwingungen, die vorzugsweise eine Biegebelastung (zum Beispiel eine Biegebelastung M_b um die y-Achse) hervorrufen. Die Fertigungsvorrichtung ist somit für ein Vibrationsentspannen des zu fertigenden Werkstücks 2 während der Fertigung eingerichtet, wobei eine Vibration während des Auftragens einer Schicht, zwischen dem Auftragen von zwei Schichten und/oder nach dem Auftrag einer letzten Schicht des zu fertigenden Bauteils 2 induziert werden kann, bevor das zu fertigende Bauteil 2 abgekühlt ist und/oder von dem Substrat 1 entfernt wird. Es hat sich gezeigt, dass induzierte Wirbelströme, die eine Erwärmung des Substrates bzw. Werkstückbetts 1 zur Folge haben, für den Schweißprozess im Allgemeinen nicht von Nachteil sind.
Für die Steuerung bzw. Regelung der Auftragsvorrichtung 3 sowie der Vibrationseinrichtung 4 weist die Fertigungsvorrichtung eine Steuervorrichtung 6 auf. In dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Steuervorrichtung 6 als eine einzelne Vorrichtung ausgebildet. In alternativen Ausführungen können mehrere Vorrichtungen gemeinsam die Steuervorrichtung 6 bilden, beispielsweise eine Auftrags-Steuervorrichtung und eine hiervon getrennt gebildete Vibrations-Steuervorrichtung.
Eine in der Steuervorrichtung 6 gebildete Regelelektronik erfasst die Eigenfrequenzänderungen des Gesamtsystems und passt die Erregungsfrequenz des Magnetfeldes entsprechend an, um die geforderten Schwingungsmodi einzuhalten. Insbesondere wird so eine Vibration bzw. Schwingung des zu fertigenden Werkstücks 2 erreicht, welche zu einem Abbau von mechanischen Spannungen in dem zu fertigenden Werkstück 2 führt.
In alternativen Ausgestaltungen kann mittels der Vibrationseinrichtung 4 nicht (gezielt) das Werkstückbett 1 zu Vibrationen angeregt werden, sondern eine Induktion von Vibrationen in dem zu fertigenden Werkstück 2 selbst und/oder in Teilen hiervon vorgesehen sein. Hierbei kann je nach Fertigungsstadium, insbesondere abhängig von der Schicht, die zu einem gegebenen Zeitpunkt aufgetragen wurde oder deren Auftrag gerade abgeschlossen wurde, das Ziel der Vibrationsinduktion variieren, insbesondere um eine möglichst effektive Minderung mechanischer Spannungen zu erreichen.
Die 2 bis 4 zeigen alternative Ausführungen einer Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks. Von der Ausführung gemäß 1 unterscheiden sich die Ausführungen durch die Ausgestaltung des Erregersystems der Vibrationseinrichtung 4. Hierbei zeigt die 2 eine alternative Ausgestaltung mit einem berührungslosen Erregersystem, während die 3 und 4 taktile bzw. berührende Varianten von Erregersystemen einer Vibrationseinrichtung 4 darstellen. Im Übrigen entsprechen die Ausführungen der 3 bis 4 der Ausgestaltung gemäß der 1.
In der Ausgestaltung gemäß der 2 weist die Vibrationseinrichtung 4 einen Lautsprecher 7 auf. Zum Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks 2 sendet der Lautsprecher 7 Schallwellen aus, die auf das zu fertigende Werkstück 2 auftreffen und dieses zu einer Schwingung bzw. Vibration anregen. In diesem Zusammenhang wird ein Wegdrücken von Schutzgas oder unerwünschte Kühlung durch Druckstöße der umgebenden Atmosphäre (z.B. Luft) als vernachlässigbar klein angesehen.
Die in der 3 gezeigte Fertigungseinrichtung weist eine mit einem Piezoaktuator 8 gebildete Vibrationseinrichtung 4 auf. Der Piezoaktuator 8 ist in Form eines Stiftes gebildet, dessen Spitze 8a auf dem Werkstückbett 1 aufliegt. Zum Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks 2 wird ein Piezokristall des Piezoaktuators 8 zu einer Schwingung angeregt. Über die Spitze 8a des Piezoaktuators 8 wird die Schwingung auf das Werkstückbett 1 übertragen, wodurch dieses ebenfalls zu schwingen beginnt. Die Schwingung des Werkstückbetts 1 führt dann zu einer Vibration des hierauf aufliegenden Bauteils 2.
Die 4 zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Vibrationseinrichtung 4 mit einem Vibrationstisch 9 gebildet ist. Der Vibrationstisch 9 weist eine rotierende Unwucht 10 auf, die als ein Elektromotor gebildet ist, auf dessen Abtriebswelle eine Schwungmasse exzentrisch angeordnet ist. Durch Antrieb des Motors der rotierenden Unwucht 10 wird die Schwungmasse in Rotation versetzt und erzeugt durch ihre exzentrische Anordnung auf der Motorwelle eine Vibration, insbesondere in Form einer Kraft 11 in z-Richtung, die durch die Formel F = sin(wt) beschrieben wird, wobei F die Kraft 11 ist und ω die Drehgeschwindigkeit des Motors ist. Die Vibration der rotierenden Unwucht 10 verursacht eine Vibration des Vibrationstischs 9. Hierdurch vibriert auch das auf dem Vibrationstisch angeordnete Werkstückbett 1 und induziert somit eine Vibration des auf dem Werkstückbett 1 aufliegenden zu fertigenden Werkstücks 2.
Die 5 zeigt ein Regelmodell für die Ansteuerung einer Vibrationseinrichtung 4 einer Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks in Form eines Ablaufdiagramms einer Regelung eines Verfahrens für die additive Fertigung eines Werkstücks.
Ausgangsbasis sind die bekannten Werkstoffkennwerte 101 für die temperaturabhängigen physikalischen und mechanischen Eigenschaften des zu verarbeitenden Werkstoffs bzw. des hieraus entstehenden Werkstücks / Bauteils 2, die in dem Reglermodell implementiert werden. Hierbei kann es sich insbesondere um Temperatur T, Dichte ρ, Masse m, Dämpfungskonstante d, Linearer Ausdehnungskoeffizient α, Spezifische Wärmeleitfähigkeit λ, Spezifische Wärmekapazität c_p, Spezifische elektrische Leitfähigkeit σ und/oder Magnetische Suszeptibilität χ handeln. Für die Regelung können eine Auswahl der genannten Eigenschaften, zusätzliche Eigenschaften oder eine Kombination hiervon genutzt werden. Die Werkstoffkennwerte 101 können vorbestimmt sein, gemessen werden (insbesondere als eine mehrerer Messgrößen 102), rechnerisch bestimmt werden oder eine beliebige Kombination hiervon.
In die Regelung gehen verschiedene Messgrößen 102 ein. In einer beispielhaften Ausgestaltung handelst es sich hierbei um eine aktuelle Temperatur, eine Geometrie (aktuelle Geometrie und/oder geplante Geometrie zu einem oder mehreren gegebene Zeitpunkten) des zu fertigenden Werkstücks 2, eine Eigenfrequenz (aktuelle Eigenfrequenz und/oder geplante Eigenfrequenz zu einem oder mehreren gegebene Zeitpunkten) des zu fertigenden Werkstücks 2, gegebenenfalls unter Berücksichtigung weiterer Komponenten (siehe oben) sowie auf das zu fertigende Werkstück 2 wirkende Spannkräfte (aktuell und/oder geplante zu einem oder mehreren gegebene Zeitpunkten). Die Messgrößen 102 können jeweils durch eine entsprechende Messvorrichtung gemessen werden oder berechnet werden, beispielsweise aus Messdaten anderer Messgrößen und/oder auf Basis von Planungsdaten für die additive Fertigung. Insbesondere kann die zeitlich veränderte Geometrie über einen NC-Code für die Ansteuerung der Fertigungsvorrichtung, insbesondere der Auftragsvorrichtung 3 vorliegen und muss nicht direkt gemessen werden. Vorteilhaft ist jedoch die direkte Vermessung der Bauteilgeometrie, da beispielsweise im Falle des Lichtbogenauftragschweißens die einzelne Nahtgeometrie stark abhängig von vielen Prozesseinflüssen ist und eine genaue Vorhersage der Geometrie sehr aufwendig oder nicht möglich sein kann.
Die Messgrößen zum Zeitpunkt i = 1 werden in das kalibrierte Reglermodell 103 eingelesen. Mithilfe des Reglermodells 103 werden dann die notwendigen Stellgrößen 104 für den nachfolgenden Zeitpunkt i = i + 1 bestimmt.
In Ausgestaltungen kann das Reglermodell 103 eines oder mehrere der Folgenden umfassen: Bestimmen der physikalischen Eigenschaften (insbesondere ρ, α, λ, c_p, σ und/oder χ) als Funktion der Temperatur und des zu verarbeitenden Werkstoffs, Bestimmen des Elastizitätsmodul (E-Modul) E als Funktion der Temperatur und des zu verarbeitenden Werkstoffs, Bestimmen der Federsteifigkeit c als Funktion der Geometrie und des E-Modul E, Bestimmen der Eigenfrequenz f als Funktion der Masse m, der Federsteifigkeit c und der Dämpfungskonstante d.
Die Stellgrößen 104 können insbesondere eines oder mehrere der Folgenden umfassen: Erregerfrequenz, Erregeramplitude, Pausenintervalle.
Gemäß dem Block 105 induziert dann das Erregersystem der Vibrationseinrichtung 4 die entsprechende mechanische Erregung (Vibration), wodurch das zu fertigende Bauteil 2 (ggf. inklusive Befestigung bzw. Werkstückbett 1) gemäß Block 106 zum Schwingen angeregt wird. Hierbei können systembedingte Dämpfungen berücksichtigt werden. Hierdurch kann es ermöglicht sein, die Vibrationseinrichtung 4 unabhängig von der Maschinensteuerung der Auftragsvorrichtung 3 zu regeln.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
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

WO 2013140147 A1 [0007]

Claims

Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks, mit - einem Werkstückbett (1) für das Aufnehmen eines zu fertigenden Werkstücks (2) während der schichtweisen Fertigung des zu fertigenden Werkstücks (2); - einer Auftragsvorrichtung (3), welche eingerichtet ist, einen Werkstoff schichtweise auf dem Werkstückbett (1) aufzutragen, um das zu fertigende Werkstück (2) zu fertigen; - einer Vibrationseinrichtung (4), welche eingerichtet ist, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks (2) zu induzieren; und - einer Steuervorrichtung (6), die eingerichtet ist, - die Auftragsvorrichtung (3) für die additive Fertigung des zu fertigenden Werkstücks (2) anzusteuern und - die Vibrationseinrichtung (4) für das Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks (2) anzusteuern, wobei die Steuervorrichtung (6) eingerichtet ist, die Vibrationseinrichtung (4) anzusteuern, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks (4) während der additiven Fertigung zu induzieren, derart, dass mechanische Spannungen in dem zu fertigenden Werkstück (2) gemindert werden.
Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auftragsvorrichtung (3) für das schichtweise Auftragen eines metallischen Werkstoffs eingerichtet ist.
Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Auftragsvorrichtung (3) eine Zuführvorrichtung für das Zuführen eines Werkstoffs während der schichtweisen Fertigung aufweist.
Fertigungsvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Fertigungsvorrichtung für die additive Fertigung eines Werkstücks eingerichtet ist, dessen Masse zum Ende des Fertigungsprozesses weniger als 100 kg, vorzugsweise weniger als 50 kg, beträgt.
Fertigungsvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vibrationseinrichtung (4) eine Spulenvorrichtung (5) umfasst, die eingerichtet ist, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks (2) mittels elektromagnetischer Induktion zu induzieren.
Fertigungsvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vibrationseinrichtung (4) eine Schallerzeugungsvorrichtung (7) umfasst, die eingerichtet ist, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks (2) mittels Aussenden von Schallwellen auf das zu fertigende Werkstück (2) zu induzieren.
Fertigungsvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vibrationseinrichtung (4) eingerichtet ist, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks (2) berührend zu induzieren.
Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vibrationseinrichtung (4) einen Piezoaktuator (8) umfasst, der eingerichtet ist, eine auf das zu fertigende Werkstück (2) zu induzierende Vibration zu erzeugen.
Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Vibrationseinrichtung (4) eine rotierende Unwucht (10) umfasst, die eingerichtet ist, eine auf das zu fertigende Werkstück (2) zu induzierende Vibration zu erzeugen.
Fertigungsvorrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vibrationseinrichtung (4) eingerichtet ist, eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks mit einer Frequenz zu induzieren, die gleich einer Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks (2) ist.
Verfahren für die additive Fertigung eines Werkstücks, umfassend: - schichtweises Auftragen eines zu fertigenden Werkstücks (2) auf ein Werkstückbett (1) für das Aufnehmen des zu fertigenden Werkstücks (2) mittels einer Auftragsvorrichtung (3); und - Induzieren einer Vibration des zu fertigenden Werkstücks (2) während des schichtweisen Auftragens mittels einer Vibrationseinrichtung (4), derart, dass mechanische Spannungen in dem zu fertigenden Werkstück (2) gemindert werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei mittels einer Steuervorrichtung (6) wiederholt die folgenden Schritte durchgeführt werden: - Ansteuern der Auftragsvorrichtung (3), derart, dass die Auftragsvorrichtung (3) wenigstens eine Schicht des zu fertigenden Werkstücks (2) aufträgt; - Bestimmen einer aktuellen Eigenfrequenz des zu fertigenden Werkstücks (2) nach Auftrag der wenigstens einen Schicht; und - Ansteuern der Vibrationseinrichtung (4), derart, dass eine Vibration des zu fertigenden Werkstücks (2) mit der aktuellen Eigenfrequenz induziert wird, wobei diese Schritte wiederholt werden, bis die Fertigung des zu fertigenden Bauteils (2) abgeschlossen ist.