DE102022207446A1

DE102022207446A1 - Verfahren und Unterstützungssystem zum Identifizieren möglicher Pulveransammlungen zum Unterstützen einer pulverbasierten additiven Bauteilfertigung

Info

Publication number: DE102022207446A1
Application number: DE102022207446.7A
Authority: DE
Inventors: Shahrooz Sadeghi Borujeni; Alexander Rütjes; Frank von Lacriox
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2024-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (1) und ein Unterstützungssystem zum Unterstützen einer pulverbasierten additiven 3D-Fertigung von Bauteilen (2, 6, 11, 12, 14) mittels eines 3D-Druckers (8). In dem Verfahren (1) werden Bauteildaten erfasst, die eine Geometrie und eine Position des jeweiligen Bauteils (2, 6, 11, 12, 14) und dessen Position in einem Pulverbett des 3D-Druckers (8) angeben. Weiter werden vorgegebene Betriebsdaten des 3D-Druckers (8) für die Fertigung des jeweiligen Bauteils (2, 6, 11, 12, 14) erfasst, die Pulveransammlungen (4) nach dem Entpulverung beeinflussen können. Basierend auf den erfassten Daten werden anhand vorgegebener und/oder automatisch gelernter Kriterien für nach dem Entfernen des jeweiligen Bauteils (2, 6, 11, 12, 14) aus dem Pulverbett verbleibende Pulveransammlungen (4) anfällige Bereiche (5) automatisch identifiziert und angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein entsprechend eingerichtetes Unterstützungssystem zum Unterstützen einer pulverbasierten additiven 3D-Fertigung von Bauteilen.
Bei der pulverbasierten additiven Fertigung muss nach dem initialen Aufbau eines Bauteils umgebendes überschüssiges Pulver entfernt werden. Dies kann oftmals herausfordernd sein, da zu diesem Zeitpunkt das Bauteil noch relativ fragil sein kann und beispielsweise je nach Form des Bauteils Pulveransammlungen oder Pulveranbackungen zurückbleiben bzw. schwierig zu entfernen sein können. Da solches nach dem eigentlichen Arbeitsschritt zum Entfernen des überschüssigen Pulvers dennoch in oder an dem Bauteil verbleibendes Pulver problematisch für weitere Fertigungsschritte und letztlich für die Bauteilqualität sein oder zumindest zusätzlichen Arbeits- und Zeitaufwand verursachen kann, besteht hier Bedarf für Verbesserungen.
Als einen Ansatz beschreibt die US 2021 / 0 046 519 A1 ein Verfahren zum Extrahieren eines additiv gefertigten Teils aus einem Pulverbett. Darin wird das Pulverbett in eine Kammer mit einem Einlass und einem Auslass eingebracht und eine hermetische Dichtung um das eingebrachte Bauteil geformt. In der Kammer wird durch eine Düse ein Gasjet auf die Oberfläche des Pulverbetts gerichtet. Gleichzeitig wird ein kontinuierlicher Gasfluss durch die Kammer von dem Einlass zu dem Auslass geleitet, sodass Pulver von dem Pulverbett durch den Auslass transportiert wird.
Als weiteren Ansatz beschreibt die US 2021 / 0 146 621 A1 eine Entpulverungsvorrichtung (englisch: depowdering apparatus) zum Entfernen von Pulver von einem Bauteil. Dabei reicht ein Einlass entlang einer vertikalen Achse durch einen Boden einer Entpulverungskammer der Vorrichtung. In der Entpulverungskammer ist eine Blasdüse angeordnet, um einen Flüssigkeitsstrom in Richtung der vertikalen Achse des Einlasses zu richten, wobei die Blasdüse um die Achse des Einlasses herum bewegt werden kann. Unter dem Einlass angeordnet ist ein Aufzug zum Anheben des Bauteils durch den Einlass und in die Entpulverungskammer entlang der vertikalen Achse des Einlasses, während sich die Blasdüse um diese Achse herumbewegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte pulverbasierte additive Bauteilfertigung zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Unterstützen einer pulverbasierten additiven 3D-Fertigung von Bauteilen mittels eines 3D-Druckers. Der Begriff „Bauteile“ ist hier im allgemeinsten Sinne zu verstehen, kann also beispielsweise technische Bauteile ebenso umfassen wie reine Designobjekte und/oder dergleichen mehr. Ebenso ist der Begriff „3D-Drucker“ hier allgemein zu verstehen und kann sämtliche für die pulverbasierte additive Fertigung geeigneten bzw. eingerichteten Maschinen und Anlagen umfassen. Insbesondere kann der 3D-Drucker im vorliegenden Sinne eine Entpulverungseinrichtung (englisch: Depowdering System) zum Entfernen überschüssigen Pulvers von dem jeweiligen Bauteil oder Zwischenprodukt umfassen.
In einem Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Bauteildaten erfasst, die eine Geometrie und eine Position des jeweiligen Bauteils in einem Pulverbett des 3D-Druckers angeben oder definieren. Diese Position kann beispielsweise relativ zu dem 3D-Drucker oder in einem für die Fertigung vorgegebenen Koordinatensystem oder dergleichen angegeben oder definiert sein. Die Geometrie kann eine tatsächliche Geometrie des Bauteils sein, wenn dieses bereits gefertigt wird bzw. gefertigt wurde, oder eine vor der tatsächlichen Fertigung des Bauteils vorgesehene, also geplante Geometrie, beispielsweise gemäß CAD-Daten, Instruktionen für den 3D-Drucker und/oder dergleichen mehr sein. Ebenso kann die in den Bauteildaten angegebene Position entsprechend eine tatsächliche oder vorgesehene, also geplante Position des Bauteils sein. Die Bauteildaten können beispielsweise im Rahmen eines Designprozesses für das Bauteil oder im Rahmen der Einrichtung oder Vorbereitung des 3D-Druckers zum Fertigen des jeweiligen Bauteils anfallen bzw. erfasst oder abgegriffen werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorgegebene Betriebsdaten des 3D-Druckers für die Fertigung des jeweiligen Bauteils erfasst, die Pulveransammlungen an dem Bauteil nach dessen Entfernen aus dem Pulverbett, also nach dem sogenannten Depowdering, beeinflussen können. Mit anderen Worten werden also die jeweiligen Werte entsprechender vorgegebener Betriebsvariablen, Steuerparameter und/oder dergleichen mehr erfasst. Diese können beispielsweise durchgeführte oder geplante Betriebsabläufe des 3D-Druckers, insbesondere von dessen Entpulverungseinrichtung angeben.
Basierend auf den erfassten Daten, also den erfassten Bauteil- und Betriebsdaten werden dann anhand vorgegebener und/oder automatisch gelernter Regeln oder Kriterien eventuell vorhandene für nach dem Entfernen des jeweiligen Bauteils aus dem Pulverbett verbleibende Pulveransammlungen anfällige Bereiche automatisch identifiziert und angegeben. Das Identifizieren der für verbleibende Pulveransammlungen anfälligen Bereiche kann beispielsweise mittels eines entsprechenden vorgegebenen Computermodells oder einer computergestützten Simulation oder durch Beobachtung während und/oder nach der Fertigung ermittelt werden. Entsprechende Pulveransammlungen können nach dem Depowdering, beispielsweise nach einem vorgegebenen oder standardmäßigen Reinigung bzw. Entpulverung tatsächlich oder voraussichtlich verbleibende Pulveransammlungen oder Pulveranbackungen sein. Solche Pulveransammlungen können also Reste von bei dem Depowdering, also dem Entpulvern, etwa mittels einer automatischen Entpulverungseinrichtung nicht entfernte Reste von losem und/oder an das Bauteil angebackenem oder anhaftendem Pulver und/oder dergleichen mehr sein oder umfassen. Für solche verbleibenden Pulveransammlungen anfällige Bereiche können auch als sogenannte dirty zones (DZs), also Verschmutzungszonen bezeichnet werden. Die identifizierten anfälligen Bereiche können beispielsweise als Auflistung, als grafische Darstellung, durch Hervorhebung in den Bauteildaten oder einem 3D-Modell oder 3D-Design des jeweiligen Bauteils, durch Lasermarkierung in dem 3D-Drucker bzw. Pulverbett und/oder dergleichen mehr angegeben werden.
In bisherigen pulverbasierten additiven Fertigungsprozessen ist es oftmals nicht klar oder erkennbar, welche Bereiche ein erhöhtes Risiko oder Potenzial für verbleibende Pulveransammlungen aufweisen. Dementsprechend ist es nicht klar, wie eine Entpulverungseinrichtung optimal gesteuert und/oder Bauteile zur Vermeidung von verbleibenden Pulveransammlungen optimal designt und/oder angeordnet werden sollten. Dies kann in Folge zu einem übermäßigen Entpulverungsaufwand oder zu einer unvollständigen Entpulverung führen. In Ersterem Fall wird also unnötig viel Zeit für das Entpulverung verwendet, was die Fertigungszeit und den Kostenaufwand sowie potenziell das Beschädigungsrisiko für das Bauteil, beispielsweise durch Erosionseffekte letztlich unnötig erhöhen und gegebenenfalls zu einer höheren Oberflächenrauheit und damit einer geminderten Bauteilqualität führen kann. Ein unvollständiges Entpulvern kann ebenfalls zu einer geminderten Bauteilqualität und/oder zu erhöhtem manuellem Nachbearbeitungsaufwand und damit ebenfalls zu einer erhöhten Fertigungszeit und hören Fertigungskosten führen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann hingegen eine pulverbasierte 3D-Fertigung bzw. ein entsprechender Anwender zum Vermeiden, Reduzieren und/oder Erkennen von nach dem Entpulvern tatsächlich oder voraussichtlich verbleibender Pulveransammlungen unterstützt werden. Dies ermöglicht somit eine Optimierung des Produktionsprozesses zum Vermeiden oder Minimieren solcher verbleibender Pulveransammlungen, etwa im Rahmen des Bauteildesigns, der Bauteilanordnung in dem 3D-Drucker bzw. dem Pulverbett, der Steuerung der Entpulverungseinrichtung und/oder dergleichen mehr. Damit kann die vorliegende Erfindung letztlich eine im Vergleich zu bisherigen Produktionsprozessen zuverlässigere und vollständigere automatische Pulverentfernung ermöglichen. Dies wiederum ermöglicht eine Einsparung zeitaufwendiger und kostenintensiver manueller Nachbearbeitung und unnötig langer automatischer Entpulverungszeiten und damit eine schnellere und effizientere Fertigung und/oder eine verbesserte Qualität pulverbasiert additiv gefertigter Bauteile. Durch die Einsparung manueller Arbeit zum Entfernen von verbleibenden Pulveransammlungen kann zudem das Risiko für Arbeitskräfte, mit dem Pulver in Kontakt zu kommen, reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann, insbesondere automatisch, durch ein für das Verfahren eingerichtetes Hilfs- oder Unterstützungssystem ausgeführt werden. Ein solches Unterstützungssystem ist an anderer Stelle näher erläutert.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden zumindest als Teil der Betriebsdaten wenigstens ein Luft- oder Gasdruck einer druckluft- bzw. gasdruckbasierten Pulverentfernungs-, also Entpulverungseinrichtung, eine vorgesehene oder tatsächliche Betriebsdauer der Entpulverungseinrichtung und eine vorgesehene oder tatsächliche Bewegung der Entpulverungseinrichtung relativ zu dem jeweiligen Bauteil bei dessen Entfernen aus dem Pulverbett, also dem Depowdering erfasst. Als Bewegung der Entpulverungseinrichtung relativ zu dem Bauteil kann beispielsweise eine Bewegungs- oder Relativgeschwindigkeit und/oder ein Bewegungspfad der Entpulverungseinrichtung relativ zu dem Bauteil erfasst werden. Die hier erfassten Betriebsdaten können ein besonders genaues und zuverlässiges Identifizieren möglicher verbleibende Pulveransammlungen ermöglichen. Dabei sind diese Betriebsdaten typischerweise bereits in herkömmlichen pulverbasierten Fertigungsverfahren verfügbar, sodass das erfindungsgemäße Verfahren damit besonders aufwandsarm und effizient angewendet bzw. implementiert werden kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die anfälligen Bereiche, also die Verschmutzungszonen separat für eine vordefinierte grobe Pulverentfernung, also Entpulverung und eine vordefinierte feine Pulverentfernung, also Entpulverung identifiziert und angegeben. Solche groben und feinen Entpulverungen können beispielsweise durch unterschiedlich vordefinierte Betriebsparameter der Entpulverungseinrichtung, durch unterschiedliche Entpulverungseinrichtungen oder unterschiedliche Konfigurationen der Entpulverungseinrichtung, wie etwa unterschiedliche Luft- bzw. Gasaustrittsdüsen, durch unterschiedliche Bewegungspfade, unterschiedliche Bewegungsgeschwindigkeiten, unterschiedliche Verweildauern an bestimmten Stellen, unterschiedliche Ausrichtungen der Düsen, also unterschiedliche Luft- bzw. Gasaustrittsrichtungen auf das Bauteil, durch die Unterscheidung, ob eine gleichzeitige oder unterschiedliche Bewegung des Bauteils bzw. des gesamten Pulverbetts während der Entpulverung vorgesehen ist oder nicht und/oder dergleichen mehr definiert sein oder werden. Ebenso kann beispielsweise nur bei der feinen Entpulverung zusätzlich zu dem Luft- oder Gasstrom eine Reinigungsflüssigkeit und/oder ein anderer ergänzender Reinigungsmechanismus verwendet werden und/oder dergleichen mehr. Die hier vorgeschlagene Unterscheidung zwischen einer groben und einer feinen Entpulverung kann eine weitere Optimierung der Fertigung ermöglichen. So kann beispielsweise ermittelt werden, ob bereits eine grobe Entpulverung für ein bestimmtes Bauteil zu einer vollständigen oder ausreichenden Vermeidung bzw. Entfernung von Pulveransammlungen führt, die feine Entpulverung nur eine vernachlässigbare Verbesserung bietet oder ob mit der feinen Entpulverung eine vollständige oder ausreichende Entfernung oder Vermeidung von Pulveransammlungen möglich ist oder - beispielsweise wenn letzteres nicht der Fall ist - andere Maßnahmen sinnvoll bzw. zu ergreifen sind, um verbleibende Pulveransammlungen zu minimieren oder zu vermeiden. Die bei Verwendung der groben Entpulverung gegebenen anfälligen Bereiche und die bei Verwendung der feinen Entpulverung gegebenen anfälligen Bereiche können beispielsweise durch unterschiedliche Symbole, Kennzeichnungen, Farben und/oder dergleichen mehr angegeben, also voneinander unterschieden werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden als anfällige Bereiche solche Bereiche identifiziert, die gemäß bzw. in Abhängigkeit von den jeweils erfassten Daten für das jeweilige Bauteil bzw. die jeweilige Anwendung oder Fertigung von einer für die Fertigung des Bauteils vorgesehenen Entpulverungseinrichtung in weniger als einem Mindestmaß erfasst werden. Dies können also beispielsweise Bereiche sein, die von einem Luft-, Gas- oder Reinigungsmittelstrom und/oder einem mechanischen Reinigungskopf der Entpulverungseinrichtung und/oder dergleichen mehr weniger als in dem vorgegebenen Mindestmaß erfasst werden. Solche Bereiche können also beispielsweise gemäß einer entsprechenden Vorgabe nicht ausreichend von einem für die Entpulverung verwendeten Druckluftstrom erfasst oder beaufschlagt werden, etwa aufgrund von Verdeckungen und/oder eines Hinterschnitts und/oder einer ausschließlichen Zugänglichkeit oder Exponiertheit durch einen Bereich oder eine Öffnung mit weniger als einer vorgegebenen Mindestgröße oder weniger als einem vorgegebenen Mindestdurchmesser und/oder dergleichen mehr. Zum Identifizieren solcher Bereiche als anfällige Bereiche kann beispielsweise eine entsprechende Regel vorgegeben sein oder es können entsprechende Bereiche beispielsweise im Rahmen eines Trainings eines Maschinenlernmodells für das erfindungsgemäße Verfahren in entsprechenden Trainingsdaten als anfällige Bereiche gelabelt, also gekennzeichnet sein und dementsprechend durch das Maschinenlernmodell gelernt werden. Das vorgegebene Mindestmaß kann beispielsweise durch eine Entfernung eines Bereichs von der Entpulverungseinrichtung, insbesondere von deren Austrittsdüse oder Reinigungskopf, durch eine Einwirkungsdauer, eine Einwirkungsintensität, einen bestimmten Einwirkungswinkelbereich und/oder dergleichen mehr der Entpulverungseinrichtung bzw. des Luft-, Gas- oder Reinigungsmittelstroms der Entpulverungseinrichtung auf einen Bereich definiert sein. Ob das vorgegebene Mindestmaß in einem bestimmten Bereich erreicht wird oder nicht, kann beispielsweise mittels eines entsprechenden vorgegebenen Modells und/oder einer Simulation und/oder durch Beobachtung während der Fertigung bzw. während der Entpulverung ermittelt werden. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können für verbleibende Pulveransammlungen anfällige Bereiche jeweils individuell und besonders zuverlässig identifiziert werden.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung werden solche Bereiche als von der Entpulverungseinrichtung in weniger als dem vorgegebenen Mindestmaß erfasst identifiziert, die vorgegebene Formeigenschaften, wie beispielsweise eine konkave Form, aufweisen, sacklochförmig sind, einen Hohlraum bilden, durch einen anderen Bereich des Bauteils und/oder durch ein anderes Bauteil verdeckt oder überdeckt sind und/oder sich bei der Fertigung an einer vordefinierten Position in dem Pulverbett, insbesondere an dessen Boden und/oder Rand, befinden bzw. befinden würden. Bereiche, die einen Hohlraum bilden können insbesondere dann als in weniger als dem vorgegebenen Mindestmaß von der Entpulverungseinrichtung erfasst identifiziert werden, wenn der jeweilige Hohlraum einen Zugang aufweist, dessen Größe kleiner als eine vorgegebene mit Mindestgröße ist und/oder in weniger als einem vorgegebenen Mindestgrößenverhältnis zum Volumen oder zur Gesamtoberfläche des Hohlraums steht oder dergleichen. Damit können für verbleibende Pulveransammlungen verbleibende Bereiche besonders einfach und zuverlässig identifiziert werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden als anfällige Bereiche solche Bereiche identifiziert, die gemäß bzw. in Abhängigkeit von den jeweils erfassten Daten für das jeweilige Bauteil bzw. die jeweilige Anwendung oder Fertigung Randfälle hinsichtlich wenigstens eines Pulverparameters und/oder Verschachtelungs- bzw. Nestingparameters und/oder Aushärte- oder Nachbehandlungs- bzw. Curingparameters darstellen. Solche Bereiche können beispielsweise für sogenanntes Bricking und/oder Bleeding im Rahmen des Fertigungsprozesses anfällig sein, sogenannte down-skins sein oder umfassen und/oder dergleichen mehr. Pulverparameter können beispielsweise das Material oder die Art des Pulvers, dessen Feinheit oder Korngröße, dessen Anfälligkeit für Anbackungen oder Anhaftungen oder Bleeding, also unerwünschtes Ausbreiten eines Bindemittels, und/oder dergleichen mehr sein oder umfassen. Verschachtelungsparameter können beispielsweise Überdeckungen oder Abstände zwischen verschiedenen, gleichzeitig zu fertigenden Bauteilen, durch mehrere nebeneinander angeordnete Bauteile entstehende Hohlräume oder Verengungen und/oder dergleichen mehr sein oder umfassen. Ein Randfall im vorliegenden Sinne kann beispielsweise dann gegeben sein, wenn ein entsprechender Parameter in einem bestimmten Bereich unterhalb oder oberhalb eines für diesen Parameter vorgegebenen Schwellenwertes liegt, sich in einem vorgegebenen oberen oder unteren Quantil des jeweiligen Parameters, also der im Rahmen des jeweiligen Fertigungsprozesses gegebenen Parameterwerte dieses Parameters liegt und/oder dergleichen mehr. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können für verbleibende Pulveransammlungen anfällige Bereiche individuell und besonders zuverlässig identifiziert werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden als anfällige Bereiche solche Bereiche identifiziert, die eine über einem vorgegebenen Schwellenwert liegende Oberflächenrauheit oder Oberflächenunebenheit aufweisen und/oder Hinterschnittbereiche und/oder Sacklochbereiche sind. Solche Bereiche können beispielsweise gemäß bzw. in Abhängigkeit von den jeweils ermittelten Daten für das jeweilige Bauteil bzw. die jeweilige Anwendung oder Fertigung und/oder mittels einer nachträglichen Beobachtung des Bauteils ermittelt werden. Die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass besonders raue oder unebene Oberflächenbereiche oder im Bereich eines Hinterschnitts verdeckte Oberflächenbereiche oder Sacklöcher oftmals zu Pulveransammlungen bzw. einem unvollständigen Entfernen überschüssigen Pulvers durch automatische Entpulverungseinrichtungen oder Entpulverungsprozesse neigen oder führen können. Somit können durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung für verbleibende Pulveransammlungen anfällige Bereiche bauteilindividuell und besonders zuverlässig identifiziert werden. Durch den vorgegebenen Schwellenwert für die Oberflächenunebenheit kann beispielsweise eine Höhe oder Breite von Vertiefungen, eine Parallelität von Vertiefungen, eine Gefache- oder Fachwerkartigkeit und/oder dergleichen mehr definiert oder begrenzt bzw. überprüft werden. Ebenso können anfällige Hinterschnittbereiche beispielsweise anhand eines vorgegebenen Schwellenwertes für einen Grad oder eine Größe des Hinterschnitts oder eine dadurch bedingte Verdeckung ermittelt werden. Ebenso können anfällige Sacklochbereiche beispielsweise anhand eines vorgegebenen Schwellenwertes für eine Tiefe und/oder für einen Durchmesser und/oder ein Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser ermittelt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die anfälligen Bereiche mittels eines Maschinenlernmodells, dem die erfassten Daten als Input zugeführt werden, automatisch identifiziert. Ein solches Maschinenlernmodell kann beispielsweise ein künstliches neuronales Netz oder eine sonstige Einrichtung oder Struktur des maschinellen Lernens sein oder umfassen. Das Maschinenlernmodell kann zum Identifizieren der anfälligen Bereiche trainiert und/oder selbstlernend ausgebildet sein. Insbesondere in letzterem Fall können dem Maschinenlernmodell nach der jeweiligen Fertigung Ergebnis- oder Beobachtungsdaten zugeführt werden, die bei der jeweiligen Fertigung tatsächlich aufgetretene nach dem Entfernen des Bauteils aus dem Pulverbett, also nach dem automatischen Depowdering verbleibende Pulveransammlungen angeben. Das Maschinenlernmodell kann also entsprechende Kriterien oder Regeln zum Identifizieren anfälliger Bereiche im Rahmen seines Trainings gelernt haben und/oder im Laufe der Zeit selbst lernen oder verfeinern. Ein solches Maschinenlernmodell kann, beispielsweise im Vergleich zu manuell vorgegebenen starren Regeln oder Algorithmen genauere, vielfältigere und/oder komplexere Regeln oder Kriterien lernen und somit eine besonders genaue und zuverlässige Identifizierung anfälliger Bereiche ermöglichen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden die anfälligen Bereiche des Bauteils und/oder der Anordnung des Bauteils oder mehrerer Bauteile im Pulverbett vor dem eigentlichen 3D-Drucken des jeweiligen Bauteils, also etwa anhand eines entsprechenden Plans oder Designs, anhand von CAD-Daten und/oder dergleichen mehr, identifiziert. Darauf basierend werden dann durch ein vorgegebenes entsprechend eingerichtetes Hilfs- oder Unterstützungssystem automatisch mögliche Veränderungen der des Bauteils und/oder der Bauteilanordnung des Bauteils und/oder anderer gleichzeitig mit diesem zu fertigender Bauteile zum Minimieren der möglichen verbleibenden Pulveransammlungen ermittelt. Diese möglichen Veränderungen werden dann automatisch ausgegeben, also etwa einem jeweiligen Nutzer oder Anwender vorgeschlagen oder dargestellt und/oder in einem vorgegebenen Datenspeicher abgespeichert. Mit anderen Worten können hier also solche möglichen Veränderungen des Bauteils und/oder der Bauteilanordnung ermittelt und vorgeschlagen werden, welche die Anzahl und/oder Größe der anfälligen Bereiche und/oder deren Anfälligkeit bzw. die entsprechende Wahrscheinlichkeit für verbleibende Pulveransammlungen reduzieren können.
Solche Veränderungen können beispielsweise mittels eines von entsprechenden vorgegebenen Modells, mittels einer computergestützten Simulation der Fertigung und Entpulverung und/oder durch ein entsprechend trainiertes oder angelerntes Maschinenlernmodell ermittelt oder ausgegeben werden. Dazu können beispielsweise automatisch verschiedene Veränderungen oder Variationen simuliert bzw. bewertet, also ein entsprechendes Optimierungs- oder Minimierungsproblem automatisch gelöst werden. Dabei können ein oder mehr vorgegebene Parametergrenzen für zulässige Veränderungen beispielsweise der Form und/oder der Eigenschaften des Bauteils und/oder der Bauteilanordnung und/oder eine oder mehr Randbedingungen dafür vorgegeben sein, also berücksichtigt werden. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann also eine unterstützte Optimierung der Fertigung realisiert werden, wodurch verbleibende Pulveransammlungen besonders effektiv vermieden oder reduziert werden können. Dabei können gegebenenfalls mögliche Veränderungen, die zu einer Vermeidung oder Minimierung von verbleibenden Pulveransammlungen führen oder beitragen können, aufgefunden werden, die ohne Beeinträchtigung der Bauteilfunktionalität angewendet werden können, aber durch einen jeweiligen Anwender allein möglicherweise nicht in Betracht gezogen würden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Hilfs- oder Unterstützungssystem zum automatisch Unterstützen einer pulverbasierten additiven 3D-Fertigung von Bauteilen. Mit anderen Worten ist das erfindungsgemäße Hilfs- oder Unterstützungssystem also zum, insbesondere automatischen, Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Dazu kann das erfindungsgemäße Unterstützungssystem beispielsweise eine Schnittstelle zum Erfassen der Bauteil- und Betriebsdaten, eine Prozesseinrichtung, also etwa einen Mikrochip, Mikroprozessor oder Mikrocontroller oder dergleichen, und einen damit gekoppelten computerlesbaren Datenspeicher aufweisen. In diesem Datenspeicher kann dann ein entsprechendes Betriebs- oder Computerprogramm gespeichert sein, das die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensschritte, Maßnahmen oder Abläufe oder entsprechende Steueranweisungen codiert oder implementiert. Dieses Betriebs- oder Computerprogramm kann dann durch die Prozesseinrichtung ausführbar sein, um die Ausführung des entsprechenden Verfahrens zu bewirken. Das erfindungsgemäße Unterstützungssystem kann insbesondere das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte Unterstützungssystem sein oder diesem entsprechen. Das erfindungsgemäße Unterstützungssystem kann auch als Smart Detection System (SDS), also als System zum intelligenten Detektieren bzw. Identifizieren von für verbleibende Pulveransammlungen anfälligen Bereichen bezeichnet werden. Das erfindungsgemäße Unterstützungssystem kann beispielsweise als Teil eines 3D-Druckers vorgesehen oder implementiert werden. Ein solcher mit dem erfindungsgemäßen Unterstützungssystem ausgestatteter 3D-Drucker kann seinerseits ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sein.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 einen beispielhaften schematischen Ablaufplan für ein Verfahren zum Unterstützen einer pulverbasierten additiven Bauteilfertigung;
2 eine schematische Perspektivdarstellung eines ersten Bauteils mit einer verbleibenden Pulveransammlung;
3 eine ausschnittweise schematische Darstellung eines zweiten Bauteils mit einer verbleibenden Pulveransammlung;
4 eine schematische ausschnittweise schematische Darstellung eines Fertigungsbehälters für die pulverbasierte additive Fertigung mit zwei verschachtelt angeordneten Bauteilen; und
5 eine schematische Perspektivdarstellung eines weiteren Bauteils mit unebenen Oberflächenbereichen.

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen beispielhaften schematischen Ablaufplan für ein Verfahren zum Unterstützen einer pulverbasierten additiven 3D-Fertigung, insbesondere zum Vermeiden von Ansammlungen überschüssigen Pulvers nach dem Depowdering. Ein solches Verfahren kann beispielsweise für die MBJ-Fertigung (Metal Binder Jetting) angewendet werden. Dort kann es besonders nützlich sein, da dort nach dem initialen 3D-Druckprozess, in dem das Bindemittel in das Pulver eingebracht wurde, die resultierenden Bauteile oder Zwischenprodukte relativ fragil sein können und daher harsche automatische Entpulverungsverfahren möglichst vermieden oder minimiert werden sollen.
In einem Verfahrensschritt S1 kann ein entsprechendes Unterstützungssystem bzw. ein damit ausgestatteter 3D-Drucker für die Fertigung des jeweiligen Bauteils bereitgestellt und eingerichtet oder vorbereitet werden. In einem Verfahrensschritt S2a können durch das Unterstützungssystem Bauteildaten für das jeweilige zu fertigende Bauteil erfasst werden, die insbesondere dessen Geometrie und Positions- bzw. Nestingdaten, also die Anordnung des Bauteils sowie gegebenenfalls weiterer gleichzeitig zu fertigender Bauteile im Pulverbett des 3D-Druckers angeben können. In einem Verfahrensschritt S2b können durch das Unterstützungssystem für die Fertigung des jeweiligen Bauteils vorgesehene Betriebsdaten des 3D-Druckers erfasst werden, durch welche möglicherweise nach dem Entpulvern verbleibende Ansammlungen überschüssigen Pulvers beeinflusst, also beispielsweise bewirkt oder begünstigt werden können.
In einem Verfahrensschritt S3 werden basierend auf diesen erfassten Daten durch das Unterstützungssystem automatisch entsprechende Verschmutzungszonen, also für verbleibende Ansammlungen überschüssigen Pulvers nach dem automatischen Entpulvern anfällige Bereiche des jeweiligen Bauteils identifiziert und angegeben.
In einem Verfahrensschritt S4 können durch das Unterstützungssystem automatisch mögliche Verbesserungsvorschläge zum Reduzieren der Ansammlungen von überschüssigen Pulver ermittelt und ausgegeben werden. Damit kann dann beispielsweise das Design des zu fertigenden Bauteils und/oder die Bauteilanordnung in dem 3D-Drucker während der Fertigung und/oder wenigstens ein Betriebsparameter oder eine Betriebsstrategie des 3D-Druckers, insbesondere einer automatischen Entpulverungseinrichtung des 3D-Druckers, optimiert werden. Anschließend kann das Bauteil gefertigt, also gedruckt und die automatische Entpulverung durchgeführt werden.
Ein resultierendes Fertigungsergebnis kann dann optional in einem Verfahrensschritt S5 hinsichtlich verbleibender Ansammlungen überschüssigen Pulvers überprüft werden. Entsprechende Daten, welche beispielsweise die Positionen der eventuell verbleibenden Ansammlungen überschüssigen Pulvers bzw. die entsprechenden Bereiche des Bauteils angeben, können in einem Verfahrensschritt S6 dann beispielsweise als Trainings- oder Lerndaten zur Verbesserung des Unterstützungssystems an dieses bereitgestellt werden. Mit anderen Worten kann hier das Unterstützungssystem dann entsprechend angepasst oder optimiert bzw. nachtrainiert werden, um in Zukunft entsprechende anfällige Bereiche anhand der erfassten Daten identifizieren zu können und/oder mögliche Verbesserungen zu finden bzw. seine bisherigen Verbesserungsvorschläge zu optimieren.
2 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung eines ersten Bauteils 2. Dieses weist einen internen Hohlraum auf, der durch eine - relativ kleine - Zugangsöffnung 3 zugänglich ist. Beispielsweise aufgrund der Form des Hohlraums und/oder der Größe und Anordnung der Zugangsöffnung 3 ist in dem ersten Bauteils 2 nach dem automatischen Entpulvern eine Ansammlung überschüssigen Pulvers, also eine Pulveransammlung 4 - tatsächlich oder etwa gemäß einer entsprechenden Simulation - verblieben. Ein entsprechender Bereich des ersten Bauteils 2 ist dementsprechend hier schematisch als Verschmutzungszone 5 gekennzeichnet.
Als weiteres Beispiel zeigt 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Bauteils 6. Dieses weist ebenfalls einen inneren Bereich auf, der jedoch großflächiger durch Öffnungen oder Aussparungen an einer Außenseite 7 des zweiten Bauteils 6 zugänglich bzw. offen ist. Bei der Fertigung des zweiten Bauteils 6 kann diese Oberfläche 7 jedoch beispielsweise einem gleichzeitig gefertigten Bauteil oder einer Wandung eines das Pulverbett aufnehmenden Fertigungsbehälters 8 (siehe 4) zugewandt sein. Dadurch kann nach dem automatischen Entpulvern auch in dem zweiten Bauteil 6 eine Pulveransammlung 4 verbleiben. Ein entsprechender Bereich ist auch hier schematisch als Verschmutzungszone 5 gekennzeichnet, also identifiziert und angegeben.
4 zeigt eine schematische ausschnittweise Darstellung des Fertigungsbehälters 8, in dem mittels pulverbasierter additiver Fertigung Bauteile gefertigt werden können. Der Fertigungsbehälter 8 ist durch einen Boden 9 und Seitenwände 10 begrenzt, die ein Volumen umgeben, in dem das Pulver bzw. das Pulverbett für die Fertigung angeordnet sein oder werden kann. In dem Fertigungsbehälter 8 sind hier beispielhaft ein drittes Bauteil 11 und ein viertes Bauteil 12 angeordnet, die gleichzeitig gefertigt wurden. Das vierte Bauteil 12 weist dabei einen Vorsprung 13 auf, der für eine möglichst effiziente und platzsparende Anordnung der Bauteile in dem Fertigungsbehälter 8 zwischen voneinander beabstandete Teile des dritten Bauteils 11 hineinragt. Hier sind also ein besonders geringer Abstand zwischen dem dritten Bauteil 11 und dem vierten Bauteil 12 sowie eine zumindest teilweise Überdeckung des vierten Bauteils 12 durch das dritte Bauteil 11 gegeben. In solchen Situationen kann ein vollständiges Entfernen überschüssigen Pulvers nach Abschluss des initialen 3D-Drucks problematisch sein, sodass der entsprechende Bereich hier als anfällig für verbleibende Pulveransammlungen 4, also als Verschmutzungszone 5 gekennzeichnet ist.
Als weiteres Beispiel zeigt 5 eine schematische Perspektivdarstellung eines fünften Bauteils 14. Das fünfte Bauteil 14 weist in verschiedenen Oberflächenbereichen Oberflächenunebenheiten 15 auf. Wird hier beispielsweise durch das Unterstützungssystem ermittelt, dass diese Oberflächenunebenheiten 15 größer als ein vorgegebener Schwellenwert sind bzw. ein vorgegebenes Kriterium erfüllen, so können die entsprechenden Oberflächenbereiche als für verbleibende Pulveransammlungen 4 anfällige Bereiche identifiziert werden. Beispielhaft sind hier zwei dieser Oberflächenbereiche mit entsprechenden Oberflächenunebenheiten 15 als Verschmutzungszonen 5 gekennzeichnet.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele auf, wie ein intelligentes Unterstützungssystem zum Detektieren bzw. Identifizieren von Bereichen mit besonders hohem Potenzial für auch nach einem automatischen feinen Entpulvern verbleibende Ansammlungen überschüssigen Pulvers im Rahmen der pulverbasierten additiven 3D-Fertigung von Bauteilen realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Ablaufplan
2: erstes Bauteil
3: Zugangsöffnung
4: Pulveransammlung
5: Verschmutzungszone
6: zweites Bauteil
7: Außenseite
8: Fertigungsbehälter
9: Boden
10: Seitenwand
11: drittes Bauteil
12: viertes Bauteil
13: Vorsprung
14: fünftes Bauteil
15: Oberflächenunebenheiten
S1-S6: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20210046519 A1 [0003]
US 20210146621 A1 [0004]

Claims

Verfahren (1) zum Unterstützen einer pulverbasierten additiven 3D-Fertigung von Bauteilen (2, 6, 11, 12, 14) mittels eines 3D-Druckers (8), wobei - Bauteildaten erfasst werden, die eine Geometrie und eine Position des jeweiligen Bauteils (2, 6, 11, 12, 14) in einem Pulverbett des 3D-Druckers (8) angeben, - vorgegebene Betriebsdaten des 3D-Druckers (8) für die Fertigung des jeweiligen Bauteils (2, 6, 11, 12, 14) erfasst werden, die Pulveransammlungen (4) an dem Bauteil (2, 6, 11, 12, 14) nach dessen Entfernen aus dem Pulverbett beeinflussen können, und - basierend auf den erfassten Daten anhand vorgegebener und/oder automatisch gelernter Kriterien für nach dem Entfernen des jeweiligen Bauteils (2, 6, 11, 12, 14) aus dem Pulverbett verbleibende Pulveransammlungen (4) anfällige Bereiche (5) automatisch identifiziert und angegeben werden.
Verfahren (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest als ein Teil der Betriebsdaten ein Luftdruck einer druckluftbasierten Entpulverungseinrichtung, eine Betriebsdauer der Entpulverungseinrichtung und eine Bewegung der Entpulverungseinrichtung relativ zu dem Bauteil (2, 6, 11, 12, 14) bei dessen Entfernen aus dem Pulverbett erfasst werden.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anfälligen Bereiche (5) separat für eine vordefinierte grobe Entpulverung und eine vordefinierte feine Entpulverung identifiziert und angegeben werden.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als anfällige Bereiche (5) solche Bereiche (5) identifiziert werden, die gemäß den jeweils erfassten Daten für das Bauteil (2, 6, 11, 12, 14) von einer für die Fertigung des Bauteils (2, 6, 11, 12, 14) vorgesehenen Entpulverungseinrichtung in weniger als einem vorgegebenen Mindestmaß erfasst werden.
Verfahren (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass solche Bereiche (5) als von der Entpulverungseinrichtung in weniger als dem vorgegebenen Mindestmaß erfasst identifiziert werden, die vorgegebene Formeigenschaften aufweisen, sacklochförmig sind, einen Hohlraum bilden, durch einen anderen Bereich des Bauteils (2, 6, 11, 12, 14) und/oder durch ein anderes Bauteil (2, 6, 11, 12, 14) verdeckt sind und/oder sich bei der Fertigung an einer vordefinierten Position in dem Pulverbett befinden.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als anfällige Bereiche (5) solche Bereiche (5) identifiziert werden, die gemäß den jeweils erfassten Daten für das Bauteil (2, 6, 11, 12, 14) Randfälle hinsichtlich wenigstens eines Pulverparameters und/oder Verschachtelungsparameters und/oder Aushärteparameters darstellen.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als anfällige Bereiche (5) solche Bereiche (5) identifiziert werden, die eine über einem vorgegebenen Schwellenwert liegende Oberflächenunebenheit (15) aufweisen und/oder Hinterschnittbereiche und/oder Sacklochbereiche sind.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anfälligen Bereiche (5) mittels eines Maschinenlernmodells, dem die erfassten Daten als Input zugeführt werden, identifiziert werden.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anfälligen Bereiche (5) vor dem 3D-Drucken des Bauteils (2, 6, 11, 12, 14) identifiziert werden, darauf basierend durch ein vorgegebenes entsprechend eingerichtetes Unterstützungssystem automatisch mögliche Veränderungen des Bauteils (2, 6, 11, 12, 14) und/oder der Bauteilanordnung zum Minimieren der möglichen verbleibenden Pulveransammlungen (4) ermittelt und diese Veränderungen ausgegeben werden.
Unterstützungssystem, das zum Ausführen eines Verfahrens (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.