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Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbessern einer Maßgenauigkeit eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug.
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Es sind additive Herstellungsverfahren bekannt, bei welchen zunächst ein Vorformling, wie beispielsweise ein Grünling, erzeugt und in einem nachfolgenden Behandlungsverfahren, wie beispielsweise einem Brennen in einem Ofen und einem anschließenden Abkühlprozess, verfestigt wird. In diesem Rahmen gewinnen Sinterverfahren, wie beispielsweise das Metall Binder Jetting (MBJ), zunehmend an Bedeutung.
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Bei Sinterverfahren weist das fertige Bauteil üblicherweise geringere Abmessungen als der Grünling auf, beispielsweise da sich eine Porosität des Grünlings während der Wärmebehandlung reduziert. Mit anderen Worten tritt bei dem Grünling ein Schrumpfen auf, welcher beim Erzeugen des Grünlings berücksichtigt werden muss, damit das fertige Bauteil die vorgegebenen Maße aufweist.
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Die Kompensation derartiger Bauteilschrumpfungen des Grünlings zur Erzielung einer hohen Maßgenauigkeit beim fertigen Bauteil ist für die Hersteller eine große Herausforderung. In vielen Fertigungsverfahren wird die Kompensation der Bauteilschrumpfungen als iterativer Prozess durchgeführt. Hierbei wird zunächst ein Grünling mit einer geschätzten Skalierung hergestellt, gebrannt und vermessen. Abweichungen des fertigen Bauteils von einem SOLL-Produkt werden ermittelt und die Skalierung für den nächsten Grünling entsprechend angepasst. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt, bis das fertige Bauteil Abweichungen vom SOLL-Produkt aufweist, die innerhalb vorgegebener Fertigungstoleranzen liegen. Dieser Prozess ist sehr zeitaufwendig und kostenintensiv. Zudem weisen Metall Binder Jetting Verfahren eine Vielzahl von variierbaren Prozessparametern auf, welche einen Einfluss auf die Materialschrumpfung des Bauteils haben, sodass die Ermittlung geeigneter Prozessparameter erschwert ist.
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Aus der
US 2011 / 0069301 A1 ist ein Verfahren zum Sintern von Bauteilen bekannt. Über eine Laseranordnung wird eine Oberflächengeometrie des Bauteils während des Sinterprozesses durch Detektieren von durch das Bauteil gestreutem Laserlicht vermessen. Zusätzlich kann eine Temperaturverteilung über das Bauteil ermittelt werden. Auf Basis der auf diese Weise generierten Daten werden die Sinterparameter nachgeführt. Ein solches Verfahren ist sehr aufwendig und kostenintensiv. Überdies können die Messvorgänge durch den Sinterprozess leicht beeinträchtigt werden. Zudem ist das Verfahren bei zu stark lichtabsorbierenden Bauteilen nicht zielführend durchführbar.
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Das Dokument
US 2013 / 0154161 A1 zeigt ein weiteres Verfahren zum Sintern von Bauteilen. Ein Bauteil wird als Grünling vermessen, in einem Ofen gebrannt und anschließend erneut vermessen. Ein Materialschrumpfen wird hierbei in drei Dimensionen ermittelt. Ein derartiges Verfahren ist aufgrund des mehrmaligen Vermessens des Bauteils in den unterschiedlichen Fertigungszuständen sehr aufwendig und kostenintensiv.
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Das Dokument
WO 2021 / 080569 A1 offenbart ein Verfahren zum Sintern von Bauteilen. Über ein Deformationsmodell wird eine Fertigungsvorgabe zum Herstellen eines Bauteils manipuliert, um ein beim Sintern auftretendes Materialschrumpfen des Bauteils zu kompensieren. Das Deformationsmodell kann beispielsweise durch Sintern und Vermessen des Bauteils iterativ verbessert werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass das Vermessen des Bauteils sowie das Anpassen des Deformationsmodells sehr aufwendig und kostenintensiv sind.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Verfahren zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zum Verbessern einer Maßgenauigkeit eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise ein aufwendiges wiederholtes Vermessen des Bauteils vermeiden und/oder eine verbesserte Bestimmung eines Bauteilverzugs gewährleisten.
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Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Verbessern einer Maßgenauigkeit eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbessern einer Maßgenauigkeit eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug gelöst. Das Verfahren weist auf:
- - Bereitstellen eines virtuellen SOLL-Modells des herzustellenden Bauteils
- - Bestimmen einer SOLL-Erzeugungsfläche des virtuellen SOLL-Modells, auf welcher das Bauteil erzeugt wird,
- - Bestimmen eines SOLL-Nullpunkts des virtuellen SOLL-Modells, wobei in einem Bereich um den SOLL-Nullpunkt herum das hergestellte Bauteil keinen oder einen im Verhältnis zu anderen Bereichen des Bauteils besonders geringen Bauteilverzug aufweist,
- - Bestimmen eines SOLL-Richtungsindikators des virtuellen SOLL-Modells zum Definieren einer Ausrichtung des Bauteils,
- - Additives Erzeugen des Bauteils auf Basis des virtuellen SOLL-Modells sowie eines vorbestimmten Skalierungsfaktors,
- - Scannen des erzeugten Bauteils zum Erzeugen eines virtuellen IST-Modells,
- - Identifizieren einer IST-Erzeugungsfläche, eines IST-Nullpunkts sowie eines IST-Richtungsindikators am virtuellen IST-Modell,
- - Ausrichten des virtuellen IST-Modells am virtuellen SOLL-Modell durch Ausrichten der IST-Erzeugungsfläche mit der SOLL-Erzeugungsfläche, des IST-Nullpunkts mit dem SOLL-Nullpunkt sowie des IST-Richtungsindikators mit dem SOLL-Richtungsindikator, und
- - Bestimmen des Bauteilverzugs durch Ermitteln von Abständen von IST-Prüfpunkten des IST-Modells von zugehörigen SOLL-Prüfpunkten des SOLL-Modells.
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Unter einem Bauteilverzug wird im Rahmen der Erfindung eine Abweichung von Abmessungen des Bauteils von vorgegebenen Abmessungen verstanden. Wenn die Abweichungen unterhalb einer vordefinierten Toleranzschwelle liegen, gilt das Bauteil als verwendbar, wird die Toleranzschwelle überschritten, sodass die tatsächlichen Abmessungen des Bauteils zu stark von den vorgegebenen Abmessungen abweichen, gilt das Bauteil als nicht verwendbar. Bauteilverzug kann beispielsweise durch falsche Prozessparameter bei der Erzeugung des Bauteils auftreten, beispielsweise durch eine falsche Skalierung zur Berücksichtigung einer fertigungsbedingten Bauteilschrumpfung.
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Zunächst wird das virtuelle SOLL-Modell des herzustellenden Bauteils bereitgestellt. Dies kann beispielsweise in Form eines CAD-Modells erfolgen. Das virtuelle SOLL-Modell ist eine virtuelle Vorgabe eines herzustellenden Bauteils und weist somit eine Form sowie Abmessungen auf, welche das herzustellende Bauteil im Idealfall, also ohne Form- oder Maßabweichungen, aufweisen könnte. Das virtuelle SOLL-Modell wird auf einer Rechenvorrichtung verwaltet.
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Am virtuellen SOLL-Modell wird die SOLL-Erzeugungsfläche bestimmt. Eine Erzeugungsfläche ist als Fläche definiert, auf welcher das Bauteil additiv erzeugt werden soll. Die SOLL-Erzeugungsfläche ist eine derartige Erzeugungsfläche am virtuellen SOLL-Modell. Das IST-Modell weist somit die entsprechende IST-Erzeugungsfläche auf. Erfindungsgemäß kann die SOLL-Erzeugungsfläche auch als Standfläche des Bauteils beim Erzeugen bezeichnet werden. Auf der SOLL-Erzeugungsfläche tritt zumindest abschnittsweise ein verhältnismäßig geringer Bauteilverzug auf. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Bauteil mehrere Erzeugungsflächen aufweist, welche voneinander beabstandet ausgebildet sind. Somit kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das SOLL-Modell mehrere SOLL-Erzeugungsflächen und somit das IST-Modell mehrere entsprechende IST-Erzeugungsflächen aufweisen. Die Bestimmung der SOLL-Erzeugungsfläche erfolgt, vorzugsweise automatisch, durch die Rechenvorrichtung.
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Ferner wird der SOLL-Nullpunkt des virtuellen SOLL-Modells bestimmt. Der SOLL-Nullpunkt ist als ein Punkt des SOLL-Modells definiert, um welchen herum bei der Erzeugung des Bauteils kein Bauteilverzug oder nur ein - verglichen mit anderen Bereichen des Bauteils - verhältnismäßig geringer Bauteilverzug auftritt. Demnach weist das IST-Modell den entsprechenden IST-Nullpunkt auf. Die Bestimmung des SOLL-Nullpunkts kann beispielsweise unter Verwendung von Erfahrungswerten bei der Herstellung des Bauteils oder ähnlicher Bauteile erfolgen. Vorzugsweise wird der SOLL-Nullpunkt auf der SOLL-Erzeugungsfläche bestimmt. Weiter bevorzugt ist der SOLL-Nullpunkt näher an einem Flächenmittelpunkt der SOLL-Erzeugungsfläche als an einem Randbereich der SOLL-Erzeugungsfläche angeordnet. Die Bestimmung des SOLL-Nullpunkts erfolgt, vorzugsweise automatisch, durch die Rechenvorrichtung.
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Des Weiteren wird der SOLL-Richtungsindikator des virtuellen SOLL-Modells zum Definieren der Ausrichtung des Bauteils bestimmt. Folglich weist das IST-Modell den entsprechenden IST-Richtungsindikator auf. Unter einem SOLL-Richtungsindikator kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise ein Indikator verstanden werden, welcher eine Erstreckung in mindestens eine Richtung aufweist. Vorzugsweise ist der SOLL-Richtungsindikator auf der SOLL-Erzeugungsfläche angeordnet. Weiter bevorzugt ist der SOLL-Nullpunkt auf dem SOLL-Richtungsindikator oder dem SOLL-Richtungsindikator benachbart angeordnet. Alternativ kann der SOLL-Richtungsindikator vom SOLL-Nullpunkt wegweisen oder auf den SOLL-Nullpunkt zeigen. Der SOLL-Richtungsindikator wird vorzugsweise derart bestimmt, dass ein Bauteilverzug des Bauteils im Bereich des SOLL-Richtungsindikators gegenüber anderen Bereichen des Bauteils verhältnismäßig gering ist. Es ist ferner bevorzugt, dass der SOLL-Richtungsindikator derart am SOLL-Modell bestimmt wird, dass ein Bauteilverzug des Bauteils die Orientierung bzw. Ausrichtung des SOLL-Richtungsindikators nicht verändert. Die Bestimmung des SOLL-Richtungsindikators erfolgt, vorzugsweise automatisch, durch die Rechenvorrichtung.
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Auf Grundlage der Daten des SOLL-Modells wird das Bauteil additiv erzeugt. Hierfür kann eine Vielzahl additiver Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen. Um die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders zur Geltung zu bringen, ist ein additives Fertigungsverfahren bevorzugt, welches naturgemäß einen verhältnismäßig großen Bauteilverzug aufweist. Das additive Erzeugen kann beispielsweise schichtweise vertikal nach oben verlaufen, bis das fertige Bauteil oder ggf. Vorbauteil, wie beispielsweise ein Grünling, erzeugt ist. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein additiv erzeugtes Vorbauteil nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen wird, wie beispielsweise einem Brennen in einem Ofen. Die Steuerung der additiven Erzeugung des Bauteils erfolgt, vorzugsweise automatisch, durch die Rechenvorrichtung.
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Um einem Bauteilverzug beim Additiven Erzeugen des Bauteils Rechnung zu tragen, wird beim Erzeugen des Bauteils der Skalierungsfaktor verwendet. Der Skalierungsfaktor kann beispielsweise auf Erfahrungswerten des Bauteilverzugs basieren oder in einem Modell berechnet werden. Der Skalierungsfaktor kann über das gesamte Bauteil konstant sein. Alternativ kann auch für die verschiedenen Dimensionen des Bauteils verschiedene Skalierungsfaktoren verwendet werden, beispielsweise wenn bei dem Bauteil aufgrund seiner Form und Größe unterschiedliche Bauteilverzuge in den verschiedenen Richtungen erwartet werden. Durch den Skalierungsfaktor wird das Bauteil zunächst größer erzeugt als das SOLL-Modell vorgibt. Durch eine erwartungsgemäße Schrumpfung des Bauteils weist das fertige Bauteil Abmessungen auf, welche dem SOLL-Modell eher entsprechen als während des additiven Erzeugens der einzelnen Bauteilschichten.
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Das hergestellte Bauteil wird nun in einem 3D-Scannverfahren digitalisiert. Auf diese Weise wird das virtuelle IST-Modell des hergestellten Bauteils erzeugt. Das virtuelle IST-Modell bildet vorzugsweise sämtliche Bauteilverzuge des hergestellten Bauteils ab. Somit unterscheidet sich das virtuelle IST-Modell von dem virtuellen SOLL-Modell in etwaigen Abweichungen von einem vorgegebenen SOLL-Maß. Eine Auflösung beim Scannen des Bauteils ist vorzugsweise höher als vorgegebene zulässige Maßabweichungen, sodass das virtuelle IST-Modell zum Ermitteln, ob das Bauteil vorgegebene Toleranzen erfüllt, gut geeignet ist. Das virtuelle IST-Modell wird auf der Rechenvorrichtung verwaltet.
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An dem virtuellen IST-Modell werden anschließend die IST-Erzeugungsfläche, der IST-Nullpunkt sowie der IST-Richtungsindikator identifiziert. Hierbei wird vorzugsweise das SOLL-Modell herangezogen, bei welchem die SOLL-Erzeugungsfläche, der SOLL-Nullpunkt sowie der SOLL-Richtungsindikator bereits bestimmt sind. Die IST-Erzeugungsfläche, der IST-Nullpunkt sowie der IST-Richtungsindikator werden vorzugsweise analog zu der Anordnung der SOLL-Erzeugungsfläche, des SOLL-Nullpunkts sowie des SOLL-Richtungsindikators am SOLL-Modell am IST-Modell angeordnet. Das Identifizieren der IST-Erzeugungsfläche, des IST-Nullpunkts sowie des IST-Richtungsindikators erfolgt, vorzugsweise automatisch, durch die Rechenvorrichtung.
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Schließlich wird das virtuelle IST-Modell am virtuellen SOLL-Modell ausgerichtet. Beim Ausrichten wird die IST-Erzeugungsfläche auf der SOLL-Erzeugungsfläche angeordnet. Somit sind das virtuelle IST-Modell und das virtuelle SOLL-Modell auf derselben Ebene angeordnet. Die Anordnung erfolgt zudem derart, dass das virtuelle IST-Modell und das virtuelle SOLL-Modell eine gemeinsame Erstreckungsrichtung senkrecht zu den Erzeugungsflächen aufweisen. Ferner wird der IST-Nullpunkt mit dem SOLL-Nullpunkt zusammengeführt. Auf diese Weise sind zwei weitere Freiheitsgrade beim Ausrichten des IST-Modells am SOLL-Modell eliminiert. Ein letzter Freiheitsgrad beim Ausrichten des IST-Modells am SOLL-Modell wird durch das Zusammenführen des IST-Richtungsindikators mit dem SOLL-Richtungsindikator eliminiert. Dies kann beispielsweise durch ein relatives Drehen des IST-Modells zum SOLL-Modell um eine durch die Nullpunkte verlaufende, vorzugsweise senkrecht zu den Erzeugungsflächen ausgerichtete, Schwenkachse erfolgen. Das Ausrichten erfolgt, vorzugsweise automatisch, durch die Rechenvorrichtung.
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Durch das Ausrichten des IST-Modells am SOLL-Modell ist ein Zustand hergestellt, bei welchem Bereiche mit einem besonders geringen Bauteilverzug zusammengeführt sind. In diesem Zustand ist der Bauteilverzug des Bauteils besonders günstig ermittelbar. Hierbei werden Abstände zwischen den IST-Prüfpunkten zu den SOLL-Prüfpunkten ermittelt. Die IST-Prüfpunkte und die SOLL-Prüfpunkte sind vorzugsweise vordefiniert, vorzugsweise an Stellen des Bauteils, an welchen erfahrungsgemäß ein besonders großer Bauteilverzug zu erwarten ist, beispielsweise aufgrund komplexer Bauteilgeometrien, variierender Materialstärken, insbesondere an Absätzen, Bauteilverjüngungen oder dergleichen. Das Ermitteln der Abstände erfolgt, vorzugsweise automatisch, durch die Rechenvorrichtung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren hat gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Bestimmung des Bauteilverzugs gewährleistet ist. Durch das Ausrichten des virtuellen IST-Modells mit dem virtuellen SOLL-Modell über Bereiche mit einem verhältnismäßig geringen Bauteilverzug sind Messfehler, welche aufgrund einer inkorrekten Ausrichtung der Modelle verstärkt auftreten können, vermeidbar oder zumindest wesentlich reduzierbar. Überdies sind die ermittelten Bauteilverzuge auf vorteilhafte Weise verwendbar, um den Skalierungsfaktor anzupassen, um den Bauteilverzug bei einem mit angepasstem Skalierungsfaktor hergestellten Bauteil weiter zu reduzieren. Ein derartiges Verfahren ist für die Massenfertigung besonders geeignet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass das Bauteil durch ein Sinterverfahren erzeugt wird. Als Sinterverfahren ist beispielsweise das Metall Binder Jetting erfindungsgemäß bevorzugt. Bei einem additiven Sinterverfahren wird vorzugsweise zunächst eine Schicht Sintermaterial, wie zum Beispiel Sintergranulat, auf der Erzeugungsfläche angeordnet, beispielsweise durch Rakeln. Anschließend werden Bereiche des Sintermaterials zum Bilden einer ersten Bauteilebene gezielt mit einem Bindemittel benetzt, beispielsweise über einen hierfür vorgesehenen Druckkopf. Alternativ kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Sintergranulat das Bindemittel bereits aufweist und dieses gezielt chemisch, beispielsweise über einen Druckkopf, oder thermisch, beispielsweise durch einen Laser, aktiviert wird. Diese Schritte werden solange wiederholt durchgeführt, bis das fertige Bauteil oder ggf. Vorbauteil, wie beispielsweise ein Grünling, fertig erzeugt ist. Vorzugsweise wird das additiv erzeugte Vorbauteil nachfolgend einer Wärmebehandlung unterzogen, wie beispielsweise einem Brennen in einem Ofen. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Maßhaltigkeit des gesinterten Bauteils besonders zuverlässig ermittelbar und auf dieser Grundlage das Sinterverfahren hin zu einer höheren Maßgenauigkeit verbesserbar ist.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass der SOLL-Richtungsindikator als SOLL-Richtungsgerade bestimmt wird. Weiter bevorzugt wird der IST-Richtungsindikator als IST-Richtungsgerade bestimmt. Eine Richtungsgerade weist eine Erstreckung in nur eine Richtung auf, wie beispielsweise eine Kante eines Würfels, eines Quaders oder dergleichen oder eine Seite eines Quadrats, eines Dreiecks oder dergleichen. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Bestimmung des SOLL-Richtungsindikators am SOLL-Modell sowie das Identifizieren des IST-Richtungsindikators am IST-Modell erleichtert sind. Hierdurch wird ein einfacheres Ausrichten des IST-Modells am SOLL-Modell gewährleistet.
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Weiter bevorzugt wird der SOLL-Richtungsindikator als Kante des SOLL-Modells bestimmt. Demnach ist es bevorzugt, dass die IST-Richtungsgerade auf einer entsprechenden Kante des IST-Modells bestimmt wird. Vorzugsweise ist die SOLL-Erzeugungsfläche durch diese Kante begrenzt. Somit ist es bevorzugt, dass die IST-Erzeugungsfläche durch diese Kante ebenfalls begrenzt ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die SOLL-Richtungsgerade von der SOLL-Erzeugungsfläche vollständig oder zumindest von zwei Seiten umgeben ist. Folglich ist es bevorzugt, dass die IST-Richtungsgerade von der IST-Erzeugungsfläche entsprechend vollständig oder zumindest von zwei Seiten umgeben ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Bestimmung des SOLL-Richtungsindikators am SOLL-Modell sowie das Identifizieren des IST-Richtungsindikators am IST-Modell erleichtert sind. Hierdurch wird ein einfacheres Ausrichten des IST-Modells am SOLL-Modell gewährleistet.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass der SOLL-Richtungsindikator an der SOLL-Erzeugungsfläche angeordnet wird. Hierbei ist es bevorzugt, dass der SOLL-Richtungsindikator die SOLL-Erzeugungsfläche kontaktiert und seitlich begrenzt. Alternativ kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der SOLL-Richtungsindikator auf der SOLL-Erzeugungsfläche angeordnet wird. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Bestimmung des SOLL-Richtungsindikators am SOLL-Modell sowie das Identifizieren des IST-Richtungsindikators am IST-Modell erleichtert sind. Hierdurch wird ein einfacheres Ausrichten des IST-Modells am SOLL-Modell gewährleistet.
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Vorzugsweise wird der SOLL-Nullpunkt über eine Projektion eines Schwerpunkts des SOLL-Models auf die SOLL-Erzeugungsfläche oder über ein Simulationsverfahren bestimmt. Als Schwerpunkt ist ein Massenschwerpunkt bevorzugt. Die Projektion erfolgt vorzugsweise über den kürzesten Abstand zwischen der SOLL-Erzeugungsfläche und dem Schwerpunkt. Alternativ erfolgt die Projektion vorzugsweise über den kürzesten Abstand zwischen einer die SOLL-Erzeugungsfläche begrenzenden Kante des Bauteils und dem Schwerpunkt. Bei einem Simulationsverfahren werden Vorzugsweise potenzielle Bauteilverzuge, wie beispielsweise Bauteilschrumpfungen beim Sintern, berechnet, beispielsweise unter Verwendung von FEM oder dergleichen. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Bestimmung des SOLL-Nullpunkts am SOLL-Modell sowie das Identifizieren des IST-Nullpunkts am IST-Modell erleichtert sind. Hierdurch wird ein einfacheres Ausrichten des IST-Modells am SOLL-Modell gewährleistet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der SOLL-Nullpunkt durch eine geometrische Form des SOLL-Modells gebildet. Hierunter ist zu verstehen, dass das SOLL-Modell derart ausgebildet ist, dass das hergestellte Bauteil einen physischen Nullpunkt aufweist, welcher beispielsweise als Zusatz am Bauteil und/oder durch gezieltes Weglassen von Material des Bauteils ausgebildet ist. Mit anderen Worten wird der Nullpunkt beim additiven Fertigungsverfahren bei der Erzeugung des Bauteils am Bauteil mit erzeugt. Der Nullpunkt hebt sich somit optisch und physisch vom Rest des Bauteils ab, vorzugsweise derart, dass dieser als Nullpunkt leicht erkennbar ist. Somit wird der Nullpunkt beim Digitalisieren des Bauteils mit digitalisiert und ist demnach am IST-Modell ausgebildet. Der SOLL-Nullpunkt kann beispielsweise ein zylinderförmig, kalottenförmig, als dreieckiges Prisma, kreuzförmiges Prisma oder dergleichen ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise das Identifizieren des IST-Nullpunkts am IST-Modell erleichtert ist. Hierdurch wird des Weiteren ein einfacheres Ausrichten des IST-Modells am SOLL-Modell gewährleistet.
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Besonders bevorzugt wird beim Ausrichten des virtuellen IST-Modells am virtuellen SOLL-Modell zuerst das virtuelle IST-Modell nach einem Best Fit Verfahren am SOLL-Modell ausgerichtet. Bei dem Best-Fit-Verfahren ist eine derartige Ausrichtung bevorzugt, dass ein gemeinsames Überschneidungsvolumen von dem IST-Modell und dem SOLL-Modell ein Maximum aufweist. Anschließend erfolgt eine Ausrichtung der Erzeugungsflächen, Nullpunkte sowie der Richtungsindikatoren beider Modelle. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise der Ausrichtvorgang verbessert ist. Überdies sind auf diese Weise anisotrope Bauteilverzuge sowie Bauteilverkrümmungen leichter identifizierbar.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass beim Identifizieren der IST-Erzeugungsfläche die SOLL-Erzeugungsfläche vom virtuellen SOLL-Modell auf das virtuelle IST-Modell projiziert wird, und/oder dass beim Identifizieren des IST-Nullpunkts der SOLL-Nullpunkt vom virtuellen SOLL-Modell auf das virtuelle IST-Modell projiziert wird, und/oder dass beim Identifizieren des IST-Richtungsindikators der SOLL-Richtungsindikator vom virtuellen SOLL-Modell auf das virtuelle IST-Modell projiziert wird. Die Projektion erfolgt in diesem Rahmen vorzugsweise derart, dass zunächst das Ausrichten des IST-Modells am SOLL-Modell nach dem Best-Fit-Verfahren erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise das Identifizieren der IST-Erzeugungsfläche, des IST-Richtungsindikators sowie des IST-Nullpunkts am IST-Modell erleichtert sind. Hierdurch wird zudem ein einfacheres Ausrichten des IST-Modells am SOLL-Modell gewährleistet.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Verbessern einer Maßgenauigkeit eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug gelöst. Das Verfahren weist auf:
- - Mehrmaliges Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug mit jeweils einem unterschiedlichen Skalierungsfaktor beim additiven Erzeugen der Bauteile,
- - Vergleichen der Bauteilverzuge der Bauteile, und
- - Auswahl des Skalierungsfaktors, bei welchem der Bauteilverzug des Bauteils am geringsten ist.
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Zunächst wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug durchgeführt. Hierbei werden Bauteile mit unterschiedlichen Skalierungsfaktoren additiv erzeugt, sodass die fertigen Bauteile unterschiedliche Abmessungen aufweisen.
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Die Bauteilverzuge der erzeugten Bauteile werden anschließend miteinander verglichen. Dies erfolgt vorzugsweise durch Vergleichen der virtuellen IST-Modelle der Bauteile. Hierbei wird beispielsweise ermittelt, bei welchen Bauteilen Abweichungen von der SOLL-Geometrie im Verhältnis zu den anderen Bauteilen besonders gering sind.
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Schließlich wird der Skalierungsfaktor ausgewählt, bei welchen der Bauteilverzug am geringsten ist. Vorzugsweise werden die Skalierungsfaktoren der Bauteile mit den geringeren Abweichungen zum Bilden eines neuen Skalierungsfaktors verwendet, mit welchem das Verfahren erneut durchgeführt wird. Somit ist ein geeigneter Skalierungsfaktor, für welchen das hergestellte Bauteil einen besonders geringen Bauteilverzug aufweist, iterativ ermittelbar.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbessern einer Maßgenauigkeit eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Verfahren zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbessern einer Maßgenauigkeit eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige Bestimmung des Bauteilverzugs gewährleistet ist. Durch das Ausrichten des virtuellen IST-Modells mit dem virtuellen SOLL-Modell über Bereiche mit einem verhältnismäßig geringen Bauteilverzug sind Messfehler, welche aufgrund einer inkorrekten Ausrichtung der Modelle verstärkt auftreten können, vermeidbar oder zumindest wesentlich reduzierbar. Überdies ist über die ermittelten Bauteilverzuge der Skalierungsfaktor auf vorteilhafte Weise anpassbar, um den Bauteilverzug bei einem mit angepasstem Skalierungsfaktor hergestellten Bauteil weiter zu reduzieren. Ein derartiges Verfahren ist für die Massenfertigung besonders geeignet.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbessern einer Maßgenauigkeit eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht ein virtuelles SOLL-Modell für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 2 in einer perspektivischen Ansicht die Ermittlung einer SOLL-Erzeugungsfläche, eines SOLL-Nullpunkts sowie eines SOLL-Richtungsindikators an dem virtuellen SOLL-Modell aus 1 im Rahmen der Durchführung einer bevorzugten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 in einer perspektivischen Ansicht die Ermittlung einer IST-Erzeugungsfläche, eines IST-Nullpunkts sowie eines IST-Richtungsindikators an einem auf dem virtuellen SOLL-Modell aus 1 basierenden virtuellen IST-Modell im Rahmen der Durchführung der bevorzugten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 4 in einer weiteren perspektivischen Ansicht die Ermittlung des SOLL-Nullpunkts an dem virtuellen SOLL-Modell aus 1 im Rahmen der Durchführung einer bevorzugten zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 5 in einer weiteren perspektivischen Ansicht die Ermittlung des SOLL-Nullpunkts an dem virtuellen SOLL-Modell aus 1 im Rahmen der Durchführung einer bevorzugten dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 6 in einer perspektivischen Ansicht ein virtuelles SOLL-Modell mit einem angeformten SOLL-Nullpunkt,
- 7 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug, und
- 8 in einem Ablaufdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbessern einer Maßgenauigkeit eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 8 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein virtuelles SOLL-Modell 2 eines Bauteils 1 (vgl. 3) für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Das SOLL-Modell 2 weist in diesem Beispiel zwei voneinander beabstandet angeordnete SOLL-Erzeugungsflächen 3 auf, auf welcher das Bauteil 1 bei der Durchführung des Verfahrens schichtweise additiv erzeugt wird. Alternativ kann das SOLL-Modell 2 auch eine SOLL-Erzeugungsfläche 3, drei oder mehr SOLL-Erzeugungsflächen 3 aufweisen. In dieser Ansicht sind die SOLL-Erzeugungsflächen 3 nach unten weisend ausgerichtet und somit durch das Bauteil 1 verdeckt. Das Bauteil 1 ist auf Basis des SOLL-Modells 2 unter Berücksichtigung eines Skalierungsfaktors schichtweise hergestellt und kann somit gegenüber dem SOLL-Modell 2 einen Bauteilverzug aufweisen, welcher von verschiedenen Faktoren abhängig sein kann, wie beispielsweise von Prozessparametern bei der Herstellung des Bauteils 1, einem Skalierungsfaktor zur Kompensation eines Materialschrumpfens bei der Herstellung des Bauteils 1 oder dergleichen.
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2 zeigt die Ermittlung einer SOLL-Erzeugungsfläche 3 an dem virtuellen SOLL-Modell 2 des Bauteils 1 aus 1 im Rahmen der Durchführung der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer weiteren perspektivischen Ansicht. Die SOLL-Erzeugungsfläche 3 ist als Standfläche des Bauteils 1 während der Durchführung des additiven Herstellungsverfahrens zum Herstellen des Bauteils 1 definiert. Beispielsweise auf Erfahrungswerten basierend ist ein SOLL-Nullpunkt 4 an einer Kante an der SOLL-Erzeugungsfläche 3 bestimmt. In diesem Fall wird die Kante gleichzeitig als SOLL-Richtungsindikator 5 bestimmt.
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3 zeigt die Ermittlung einer IST-Erzeugungsfläche 7, eines IST-Nullpunkts 8 sowie eines IST-Richtungsindikators 9 an einem auf dem virtuellen SOLL-Modell 2 aus 1 basierenden virtuellen IST-Modell 6 im Rahmen der Durchführung der bevorzugten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer perspektivischen Ansicht. Die IST-Erzeugungsfläche 7 entspricht der SOLL-Erzeugungsfläche 3 des SOLL-Modells 2 aus 2. Der IST-Nullpunkt 8 entspricht dem SOLL-Nullpunkt 4 des SOLL-Modells 2 aus 2. Der IST-Richtungsindikator 9 entspricht dem SOLL-Richtungsindikator 5 des SOLL-Modells 2 aus 2. Das virtuelle IST-Modell 6 ist durch Digitalisieren des Bauteils 1 erzeugt und entspricht somit dem Bauteil 1 im Rahmen einer Genauigkeit der Vorrichtung zum Scannen des Bauteils 1 exakt. Durch virtuelles Ausrichten der IST-Erzeugungsfläche 7 mit der SOLL-Erzeugungsfläche 3 des IST-Nullpunkts 8 mit dem SOLL-Nullpunkt 4 sowie des IST-Richtungsindikators 9 mit dem SOLL-Richtungsindikator 5 sind das IST-Modell 6 und das SOLL-Modell 2 virtuell zusammenführbar. Über die Bestimmung von Abständen vorzugsweise vordefinierter IST-Prüfpunkten des IST-Modells 6 und jeweils zugehörigen SOLL-Prüfpunkten des SOLL-Modells 2 sind Bauteilverzuge des Bauteils 1 zuverlässig bestimmbar.
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In 4 ist die Ermittlung eines SOLL-Nullpunkts 4 an dem virtuellen SOLL-Modell 2 aus 1 im Rahmen der Durchführung einer bevorzugten ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer weiteren perspektivischen Ansicht abgebildet. Das SOLL-Modell 2 ist in finite Elemente aufgeteilt. Durch Simulation und Berechnung ist ein Punkt an der SOLL-Erzeugungsfläche 3 bestimmbar, bei welchem bei der Herstellung des Bauteils 1 keine oder nur verhältnismäßig geringe Bauteilschrumpfungen auftreten. Dieser Punkt wird als SOLL-Nullpunkt 4 definiert. Eine Kante des SOLL-Modells 2, auf welcher der SOLL-Nullpunkt 4 angeordnet ist, wird als SOLL-Richtungsindikator 5 definiert.
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5 zeigt die Ermittlung des SOLL-Nullpunkts 4 an dem virtuellen SOLL-Modell 2 aus 1 im Rahmen der Durchführung einer bevorzugten zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch in einer weiteren perspektivischen Ansicht. Zunächst wird ein Schwerpunkt 10, beispielsweise ein Massenschwerpunkt, des SOLL-Modells 2 ermittelt. Anschließend wird dieser zum ermitteln des SOLL-Nullpunkts 4 auf die SOLL-Erzeugungsfläche 3 projiziert, beispielsweise an eine Kante der SOLL-Erzeugungsfläche 3. Dies erfolgt vorzugsweise unter Verwendung eines kürzesten Abstands zwischen der Kante und dem Schwerpunkt 10. Die Kante des SOLL-Modells 2, auf welcher der SOLL-Nullpunkt 4 angeordnet ist, wird als SOLL-Richtungsindikator 5 definiert.
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In 6 ist ein virtuelles SOLL-Modell 2 mit einem angeformten SOLL-Nullpunkt 4 schematisch in einer perspektivischen Ansicht abgebildet. In diesem Beispiel ist der SOLL-Nullpunkt 4 gegenüber benachbarten Bereichen des SOLL-Modells 2 erhaben ausgebildet und weist eine als gleichseitiges Dreieck ausgebildete Querschnittsfläche auf. Eine Spitze des Dreiecks weist auf ein als Zentrum des SOLL-Nullpunkts 4 definierten Punkt, an welchem ein besonders geringer Bauteilverzug zu erwarten ist. Dieser Punkt 4 liegt auf einer Kante des SOLL-Modells 2, welche daher als SOLL-Richtungsindikator 5 bestimmt wird.
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7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen eines Bauteilverzugs eines additiv hergestellten Bauteils 1 für ein Kraftfahrzeug schematisch in einem Ablaufdiagramm. In einer ersten Verfahrensaktion 100 wird ein virtuelles SOLL-Modell 2 des herzustellenden Bauteils 1 bereitgestellt. Das SOLL-Modell 2 gibt ein ideales Bauteil 1 vor, welches keinen Bauteilverzug aufweist. In einer zweiten Verfahrensaktion 200 wird eine SOLL-Erzeugungsfläche 3 des virtuellen SOLL-Modells 2, auf welcher das Bauteil 1 erzeugt wird bestimmt. Ein Bauteilverzug ist auf der SOLL-Erzeugungsfläche 3 gegenüber anderen Bereichen des Bauteils 1 verhältnismäßig gering. In einer dritten Verfahrensaktion 300 wird ein SOLL-Nullpunkt 4 des virtuellen SOLL-Modells 2 bestimmt. Der SOLL-Nullpunkt 4 wird derart bestimmt, dass das hergestellte Bauteil 1 in einem Bereich um den SOLL-Nullpunkt 4 herum keinen oder einen im Verhältnis zu anderen Bereichen des Bauteils 1 besonders geringen Bauteilverzug aufweist. Der SOLL-Nullpunkt 4 liegt vorzugsweise auf einer Kante des Bauteils 1. In einer vierten Verfahrensaktion 400 wird ein SOLL-Richtungsindikator 5 des virtuellen SOLL-Modells 2 zum Definieren einer Ausrichtung des Bauteils 1 bestimmt. Hierfür wird vorzugsweise die Kante des Bauteils 1 verwendet, auf welcher der SOLL-Nullpunkt 4 bestimmt ist. Es ist zumindest bevorzugt, dass der SOLL-Nullpunkt 4 auf dem SOLL-Richtungsindikator 5 angeordnet ist. In einer fünften Verfahrensaktion 500 wird das Bauteil 1 auf Basis des virtuellen SOLL-Modells 2 sowie eines vorbestimmten Skalierungsfaktors additiv erzeugt, beispielsweise durch Metall Binder Jetting.
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In einer sechsten Verfahrensaktion 600 wird das erzeugte Bauteil 1 dreidimensional gescannt. Hierbei wird ein virtuelles IST-Modell 6 erzeugt. Beim Scannen wird vorzugsweise eine Auflösung gewählt, welche etwaige Bauteilverzuge deutlich auflöst, beispielsweise durch eine vielfach höhere Auflösung als der Bauteilverzug, sodass diese Auflösung bei der Bestimmung des Bauteilverzugs keinen oder nur einen vernachlässigbar kleinen Einfluss hat. Das virtuelle IST-Modell 6 unterscheidet sich vom virtuellen SOLL-Modell 2 somit lediglich durch den Bauteilverzug, welcher bei der Herstellung des Bauteils 1 aufgetreten ist. In einer siebten Verfahrensaktion 700 werden eine IST-Erzeugungsfläche 7, ein IST-Nullpunkt 8 sowie ein IST-Richtungsindikator 9 am virtuellen IST-Modell 6 identifiziert. Dies erfolgt beispielsweise durch Abbilden der Positionen der entsprechenden SOLL-Erzeugungsfläche 3, des SOLL-Nullpunkts 4 sowie des SOLL-Richtungsindikators 5 des virtuellen SOLL-Modells 2 auf das virtuelle IST-Modell 6. In einer achten Verfahrensaktion 800 wird das virtuelle IST-Modell 6 virtuell am virtuellen SOLL-Modell 2 ausgerichtet. Hierbei werden die IST-Erzeugungsfläche 7 und die SOLL-Erzeugungsfläche 3 virtuell zusammengeführt. Ferner werden hierbei der IST-Nullpunkt 8 und der SOLL-Nullpunkt 4 zusammengeführt. Schließlich wird der IST-Richtungsindikator 9 mit dem SOLL-Richtungsindikator 5 zusammengeführt. In einer neunten Verfahrensaktion 900 wird der Bauteilverzug des Bauteils bestimmt. In diesem Rahmen werden zunächst IST-Prüfpunkten des IST-Modells 6 und zugehörige SOLL-Prüfpunkte des SOLL-Modells 2 definiert und vorzugsweise zu Prüfpunktepaaren aus jeweils einem SOLL-Prüfpunkt und einem zugehörigen IST-Prüfpunkt zusammengefasst. Die Prüfpunkte werden vorzugsweise an bauteilkritischen Stellen definiert, beispielsweise an Stellen mit hohem Bauteilverzug, mit besonders filigraner Ausbildung, Anbindungsstellen zum Anbinden des Bauteils an andere Komponenten des Kraftfahrzeugs oder dergleichen. Anschließend werden die Abstände der Prüfpunkte je Prüfpunktepaar ermittelt.
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8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verbessern einer Maßgenauigkeit eines additiv hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug schematisch in einem Ablaufdiagramm. In einer ersten Verfahrenshandlung 100a wird die erste Verfahrensaktion 100 bis zur neunten Verfahrensaktion 900 mehrmals, mindestens zweimal durchgeführt, wobei der Skalierungsfaktor variiert wird. Somit werden mehrere Bauteile 1 hergestellt, wobei die Bauteile 1 unterschiedliche Bauteilverzuge aufweisen können. Ferner werden die jeweiligen Bauteilverzuge in diesem Rahmen ermittelt. In einer zehnten Verfahrensaktion 1000 werden die ermittelten Bauteilverzuge miteinander verglichen. Auf Basis des Vergleichs kann eine Anpassung des Skalierungsfaktors vorgesehen sein, um ein oder mehrere weitere Bauteile 1 im Rahmen einer Wiederholung der ersten Verfahrenshandlung 100a zu erzeugen und den jeweiligen Bauteilverzug zu bestimmen. Diese Prozesse werden vorzugsweise solange wiederholt durchgeführt, bis ein Skalierungsfaktor ermittelt ist, bei welchem ein Minimum des Bauteilverzugs auftritt. In einer elften Verfahrensaktion 1100 wird dieser Skalierungsfaktor für die Herstellung weiterer Bauteile 1, beispielsweise im Rahmen einer Serienfertigung, ausgewählt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- SOLL-Modell
- 3
- SOLL-Erzeugungsfläche
- 4
- SOLL-Nullpunkt
- 5
- SOLL-Richtungsindikator
- 6
- IST-Modell
- 7
- IST-Erzeugungsfläche
- 8
- IST-Nullpunkt
- 9
- IST-Richtungsindikator
- 10
- Schwerpunkt
- 100
- erste Verfahrensaktion
- 200
- zweite Verfahrensaktion
- 300
- dritte Verfahrensaktion
- 400
- vierte Verfahrensaktion
- 500
- fünfte Verfahrensaktion
- 600
- sechste Verfahrensaktion
- 700
- siebte Verfahrensaktion
- 800
- achte Verfahrensaktion
- 900
- neunte Verfahrensaktion
- 100a
- erste Verfahrenshandlung
- 1000
- zehnte Verfahrensaktion
- 1100
- elfte Verfahrensaktion
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20110069301 A1 [0005]
- US 20130154161 A1 [0006]
- WO 2021080569 A1 [0007]
