EP3965986A1 - Verfahren und anordnung zum separieren überschüssigen werkstoffs von einem additiv hergestellten bauteil - Google Patents

Verfahren und anordnung zum separieren überschüssigen werkstoffs von einem additiv hergestellten bauteil

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EP3965986A1
EP3965986A1 EP20728988.5A EP20728988A EP3965986A1 EP 3965986 A1 EP3965986 A1 EP 3965986A1 EP 20728988 A EP20728988 A EP 20728988A EP 3965986 A1 EP3965986 A1 EP 3965986A1
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EP
European Patent Office
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component
movement
determined
pouring
pose
Prior art date
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Pending
Application number
EP20728988.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Dirk Hartmann
Meinhard Paffrath
Christoph Kiener
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP3965986A1 publication Critical patent/EP3965986A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • a well-known additive manufacturing technology is the so-called powder bed process, which is used in particular in the manufacture of metallic components.
  • the material for the component to be manufactured is provided in layers in the form of a powder bed, fluid bed or material bed.
  • the individual particles of the material are then bonded to one another layer by layer.
  • the material here can be a metal, a polymer powder, an inorganic material or another powdery or liquid material.
  • the connection of the material particles can be brought about by physical or chemical processes, by sintering, gluing, melting, solidifying or other connection processes.
  • Known methods are laser melting and laser sintering as well as the use of UV radiation to cure liquid materials.
  • the non-connected, ie excess, material serves as a passive support structure during the manufacturing process, so that, for example, overhanging geometries can be implemented.
  • fluids or materials that can be fluidized such as monomers curable by UV rays.
  • the unconnected material often completely or at least partially fills the component and must be removed from the cavities of the final component after the component has been removed from the material bed. So far, the excess material has been removed manually or by rotating or shaking the component mechanically. However, such a procedure can be very tedious - especially if the component has cavities with complex geometry.
  • the trigger signal causes the component to move into a subsequent distribution pose, the trigger signal being given priority prior to the simulated dispensing process.
  • the excess material can usually be very effectively separated from the component.
  • delays can be avoided by the priority triggering of a movement in a subsequent distribution pose, which on a Overestimate a discharge time based on the simulation. It has been found that the emptying time for the component can be considerably reduced in many cases by the invention.
  • a cavity in the component can be determined on the basis of the structural data and divided into spatial areas. For a respective spatial area, a path length of a path running in the cavity to an opening of the cavity and a pouring direction in which this path length is shortened can then be determined and assigned to the respective spatial area.
  • the sequence of pouring out positions can be derived from the pouring directions determined.
  • the pouring direction indicates a direction for a respective spatial area in which the material located there is to be conveyed or poured in order to approach the opening.
  • the direction of a negative gradient of the location-dependent path length can preferably be determined locally as the pouring direction. The negative gradient indicates the direction in which the path length is shortened to the maximum.
  • a virtual spatial grid can be placed over the component or the cavity.
  • the spatial areas are then formed by the grid cells of this virtual grid that are located in the cavity of the component or that overlap with them.
  • a shortest path length of a respective spatial area to the opening can preferably be determined by means of a fast marching method.
  • a large number of efficient standard routines are available for performing fast marching processes.
  • the cavity of the component can be filled with virtual material in a simulation.
  • a spatial area can be selected which has a shorter path to the opening and / or is filled with more virtual material than other spatial areas. From this, a pouring direction assigned to the selected spatial area can be determined, from which a pouring pose is then derived. The pouring pose of the component can preferably be selected so that the determined pouring direction points downwards in the direction of gravity.
  • a movement-related distribution of virtual material in the component can be simulated as part of the simulation of the distribution process. In many cases this allows a more precise simulation of the pouring out process.
  • the component can be rotated into different spatial orientations and / or set into mechanical vibrations by a movement device.
  • An amplitude, frequency or direction of oscillation of the oscillation can preferably be optimized by simulation.
  • Mechanical vibrations of the component during the pouring process favor a uniformly distributed and therefore often easier to simulate condition of the excess material in the component.
  • the material can to a certain extent be shaken out of the component by the vibrations.
  • the movement of the material can be detected by means of a scale, by means of which the material poured out of the component is weighed.
  • the trigger signal can then be generated as soon as a weight of the poured material remains at least approximately stationary, i.e. no longer changes or no longer changes significantly.
  • material falling from the component can be made using an optical sensor, in particular a camera or be detected by a light barrier.
  • the trigger signal can be generated as soon as a detection result falls below a predetermined threshold value.
  • a laser To detect the material falling out of the component, it can be illuminated by means of a laser.
  • a rapidly rotating or otherwise moving laser beam can be used to illuminate the falling material in a plane.
  • rotating laser beams can be used for lighting in different levels and with different colors.
  • noises from material falling from the component can be detected by means of an acoustic sensor.
  • the trigger signal can be generated as soon as a detection result falls below a predetermined threshold value.
  • movements of the material within the component can be detected by means of a movement sensor.
  • the trigger signal can be generated as soon as a detection result falls below a predetermined threshold value.
  • Such a motion sensor can, for example, comprise a laser interferometer or a microsystem, in particular a so-called MEMS (MicroElectroMechanical System) for detecting small movements of the component or of the material located therein.
  • MEMS MicroElectroMechanical System
  • the detection can in particular take place via a frequency detection.
  • a predetermined period of time can be waited before the component is moved into the subsequent discharge pose. In many cases, this can ensure that any residual movements of the material, in particular inside the component, come to a standstill.
  • the period of time can be specified absolutely or relative to a position-specific period or to a period that has already passed.
  • FIG. 1 shows an arrangement according to the invention
  • FIG. 2 a simulation of a pouring out process
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method according to the invention
  • Figure 1 shows a schematic representation of an arrangement A according to the invention for separating excess material WS from an additive, i.e. Component BT manufactured using an additive manufacturing process.
  • the component BT is preferably made by a 3D printer in the powder bed process, in which, as shown in the introduction, individual particles of a powdery or fluid material are connected to one another layer by layer.
  • the material WS that is not associated with additive manufacturing and is therefore excess must be removed accordingly.
  • Figure 1 shows the component BT after completion of the layer-by-layer manufacturing process, but before removal of the excess, unconnected material WS.
  • the arrangement A has an oscillation device SV, a positioning device PV, a controller CTL and a sensor system S.
  • the component BT is mechanically coupled to the oscillation device SV, which in turn is mechanically coupled to the positioning device PV.
  • the positioning device PV which is preferably designed as a robot arm, is used to put the component in different poses.
  • a pose describes a spatial position of the component and includes its position and spatial orientation or alignment. The component can thus be moved into different positions and spatial orientations by the positioning device PV.
  • the vibration device SV is used to set the component BT in mechanical vibrations. An amplitude, frequency and / or direction of oscillation of the mechanical oscillations can be varied here.
  • the positioning device PV can rotate the component BT together with the vibration device SV around one or more axes of rotation and move it in translation.
  • the component BT can preferably be removed from a 3D production environment, such as a 3D printer, by a positioning device PV designed as a robot arm, and fixed on the vibration device SV.
  • the Positioniervorrich device PV and the vibration device SV are part of a Be motion device BV for moving the component BT.
  • the sensor system S, the positioning device PV, the oscillation device SV and the movement device BV are coupled to the controller CTL.
  • the controller CTL is used to control the movement device BV, i. for controlling the positioning and alignment of the component BT by the positioning device PV and for controlling the vibrations to be caused by the vibrating device SV.
  • the movement device BV is controlled in such a way that the component BT successively assumes different poses in which the excess material WS is poured out as quickly and / or completely as possible.
  • Such advantageous distribution items are determined on the basis of a simulation of one or more distribution processes.
  • This simulation is carried out using a volumetric CAD model of the component BT by the controller CTL.
  • the volumetric model CAD is represented by spatially resolved structural data of the component BT, which are transmitted to the control CTL.
  • the controller CTL determines suitable movement data BD for controlling the positioning device PV and the oscillation device SV or the movement device BV.
  • the movement data BD are used to determine the distribution items to be taken by the component BT and quency, amplitude and / or directions of oscillation of oscillations quantified.
  • a respective distribution pose of the component BT can preferably be specified by a position specification quantifying a position of the component BT together with an angle specification quantifying a spatial orientation or alignment of the component BT.
  • solid angles or Euler angles can be used as angle information.
  • the movement device BV receives the movement data BD from the controller CTL and is controlled by the movement data BD.
  • the positioning device PV is caused to move the component BT into a pouring float in which the excess material WS is poured out as quickly and effectively as possible.
  • the vibration device SV is caused to set the component BT into mechanical vibrations in such a way that the pouring out process is accelerated as far as possible.
  • the material WS is to a certain extent shaken out of the component BT.
  • a material WS poured out during the pouring out process or falling out of the component BT is detected by the sensor system S.
  • the sensor system S is used in particular to detect a movement of the material WS caused by the pouring out process and, in particular, a decrease in this movement.
  • the sensor system S can have different sensors.
  • a balance W can be provided by means of which the material WS poured out of the component BT is continuously weighed.
  • another quantity sensor can be provided for detecting the material WS poured out.
  • an optical sensor OS for example a camera or a light barrier, can be used to detect the poured material WS, preferably together with a laser L for illuminating the poured material WS.
  • noises from the material WS falling out of the component BT or from the material WS moving in the component BT can be can be detected by means of an acoustic sensor AS.
  • movements of the material WS within the component BT can be detected by means of a movement sensor BS, for example by means of a laser interferometer or a so-called MEMS (MicroElectro-Mechanical System).
  • a trigger signal TR is generated by the sensor system S as a result of the detection of the slowdown in the movement of the material and transmitted to the controller CTL.
  • the trigger signal TR can in particular be generated as soon as a weight of the poured material WS measured by the scales W remains at least approximately stationary, i.e. no longer changes or no longer changes significantly.
  • the trigger signal TR can be generated as soon as a detection result falls below a predetermined threshold value.
  • the movement device BV is caused by the controller CTL to move the component BT into the next discharge pose.
  • FIG. 2 illustrates a simulation of a distribution process of excess material WS from the component BT. If the same or corresponding reference characters are used in FIG. 2 as in FIG. 1, the same or corresponding entities, which are preferably implemented or realized as described above.
  • Method steps S1 to S7 are preferably carried out by the controller CTL to simulate the pouring out process.
  • a volumetric model CAD of the component BT in the form of spatially resolved structure data of the component BT is read in by the controller CTL.
  • the volumetric model CAD can in particular be present as a so-called CAD model (CAD: Computer Aided Design).
  • CAD Computer Aided Design
  • a cavity H of the component BT is determined which, after the additive manufacturing of the component BT, is filled with excess material WS and is to be emptied via an opening E of the component BT.
  • the cavity H is divided into a large number of spatial areas RB to simulate the pouring out process.
  • a virtual spatial grid can preferably be placed over the component BT or over the cavity H.
  • the spatial areas RB are then represented by the grid cells located in the cavity H or overlapping with it. For reasons of clarity, only a few of these spatial areas RB are explicitly shown in FIG.
  • a path length of a path running in the cavity H to the opening E is determined using the volumetric model CAD for a respective spatial area RB.
  • the respective path lengths are shown shaded in the upper right part of FIG. 2, with dark right areas being arranged closer to the opening E than lighter right areas.
  • the path lengths can advantageously be determined using what is known as a fast marching method, by means of which a shortest path from this spatial area to the opening E is determined for each spatial area RB.
  • the The shortest paths and their path lengths are determined by considering a virtual wave propagation emanating from the opening E and determining an arrival time for each of the spatial areas RB. The arrival times then correspond to the path lengths to be determined.
  • a respective local pouring direction in which the local path length is shortened most is determined for a respective area RB.
  • This pouring direction is preferably determined as a negative gradient of a path length field.
  • the respective determined path length and direction of pouring are assigned to the respective spatial area.
  • the cavity H is completely or partially filled with virtual material particles VWP using the volumetric CAD model.
  • a virtual material particle VWP can represent a large number of real material particles in a simulation.
  • a filling with virtual material can be implemented differently accordingly.
  • a discharge pose AP (K) that is advantageous for a current filling state of the component BT with virtual material particles VWP and a suitable oscillation of the component BT are determined.
  • the choice of the current discharge pose AP (K) determines the emptying process, in which gravity is a driving force and is supported by shaking the component BT.
  • the choice of the pouring pose AP (K) is based on an analysis of the current filling level of the component BT as well as the determined path lengths and pouring directions.
  • the spatial areas RB are updated after a current with many, In particular, searches through as many virtual material particles VWP filled spatial area as possible, to which a short, in particular as short a path as possible to the opening E is assigned.
  • a bulk parameter can be determined for a respective spatial area RB in which a quantity of virtual material particles VWP currently contained therein is offset against the assigned path length, for example in the form of a weighted sum.
  • Such a bulk parameter is preferably increased by a shorter path length and by a larger number of currently contained virtual material particles VWP and otherwise reduced.
  • a spatial area can be selected from the spatial areas RB which has the highest bulk parameter.
  • a pouring direction assigned to the found or selected spatial area is then determined.
  • a pouring float AP (K) is determined, by means of which the component BT would be aligned so that the determined pouring direction points downwards in the direction of gravity.
  • Movement data are also determined that quantify the determined distribution pose AP (K).
  • further movement data are determined by which the component BT would be set into vibrations that accelerate the discharge process.
  • the further movement data can in particular
  • the movement data determined are summarized in a data record BD (K), which quantify a specific movement step for the component BT.
  • method step S5 the specific movement induced by this movement process of pouring out virtual material particles VWP from the opening E of the component BT is physically simulated.
  • a simulation model to be used for this can be implemented or initialized using the volumetric CAD model.
  • the component BT is virtually brought into the pouring pose AP (K) and made to vibrate on the basis of the movement data BD (K) determined in method step S4.
  • a movement-related distribution of the virtual material particles VWP in the component BT is simulated.
  • the Ausüttvor gear is driven by gravity and supported by the vibrations.
  • the material powder can in many cases be effectively "fluidized” or a viscosity of a material fluid can be reduced, which often considerably simplifies a simulation-based treatment.
  • the movement of the virtual material particles VWP is preferably calculated using a particle simulation. Such particle simulation methods can can be calculated efficiently, especially on graphics processors.
  • a resulting time course of a distribution of the virtual material particles VWP in the component BT is determined.
  • a resulting time profile of a degree of filling of the component BT with virtual material particles VWP is determined.
  • the current discharge pose AP (K), the resulting course of the distribution of the virtual material particles VWP and the resulting fill level course are assigned to the respective movement step.
  • method step S6 it is checked whether the cavity H is virtually empty.
  • a target value for emptying can be specified, for example a residual filling level, below which the component BT is deemed to be empty or ready for use. If the cavity H has not been emptied, the counter K is incremented and there is a return to method step S4 in which the next pouring out pose AP (K + 1) is determined. Otherwise, the method step S7 is carried out.
  • step S7 the simulation results are documented and a control file based on them is generated.
  • the control file contains a sequence of the determined from pouring items AP (1), ..., AP (N), associated movement data
  • the control file for a K-th simulated movement step contains the associated Ausüttpose AP (K), the movement data BD (K) specifying the movement step and the distribution of the virtual material particles VWP in the component BT resulting from the movement step.
  • Figure 3 shows a flow chart of a method according to the invention for separating excess material WS from component BT.
  • the same or corresponding reference symbols are used in FIG. 3 as in the previous figures, the same or corresponding entities are hereby denoted, which are preferably implemented or realized as described above.
  • the method according to the invention is preferably carried out by the controller CTL, which is designed to be carried out in particular via one or more processors, computers, application-specific integrated circuits (ASIC), digital signal processors (DSP) and / or so-called "Field Programmable Gate Arrays” (FPGA) can dispose of.
  • ASIC application-specific integrated circuits
  • DSP digital signal processors
  • FPGA Field Programmable Gate Arrays
  • a pouring out process is simulated by method steps S1 to S7 on the basis of the volumetric model CAD.
  • a control file is generated which contains the sequence of the determined distribution items AP (1), ..., AP (N), the associated movement data BD (1), ..., BD (N ) to control the movement distribution device BV as well as for a respective Ausüttpose AP (K) contains the resulting time course of the distribution of the virtual material particles VWP in the component BT.
  • the simulation can preferably be carried out in advance or offline.
  • the movement device BV is caused, on the basis of the movement data BD (K), to move the component BT into the pouring pose AP (K) and set it to vibrate.
  • the movement of the component BT or its course over time is based on the course over time of the simulated material distribution.
  • step S12 the material WS poured out of the component BT in the pouring pose AP (K) is continuously detected by the sensor system S, as explained in connection with FIG. In particular, a movement of the poured out material WS is detected here.
  • step S13 it is checked whether the detected material movement is abating, i.e. becomes significantly weaker or comes to a standstill. As soon as it is established that there is no longer any noticeable movement of material, a trigger signal TR is generated - as described in connection with FIG. 1 - and transmitted to the control CTL. The trigger signal TR causes the controller CTL to carry out an emptying test S14 and, if necessary, to jump back to method step Sil. If no slowdown in the movement of the material is detected, there is a return to method step S12.
  • the emptying test S14 it is checked whether the component BT has already been emptied.
  • This test can in particular take place in that a weight of the poured material WS with a weight of that originally in the component BT located material WS is compared. The latter can be determined, for example, using the volumetric CAD model. If the check shows that the component BT has been emptied, the separation according to the invention is successfully ended and reaches a target state ST.
  • the counter K is incremented and a return to method step Sil takes place, in which the component BT is moved into the next discharge pose AP (K + 1). If necessary, before the start of the movement in the next pouring pose AP (K), a predetermined period of time can be waited to ensure or to increase the probability that any residual movements of the material WS inside the component BT will also come to a standstill.
  • the return to the method step Sil is caused by the trigger signal TR.
  • the trigger signal TR is given priority over the time course of the simulated material distribution. In particular, a period of time determined by the simulation is not waited for until the material movement in the discharge pose AP (K) has subsided, but rather the actually measured slowdown of the material movement is used. I.e. In deviation from the simulation-driven control of the movement device BV by the controller CTL, the movement into the next Ausüttpose AP (K + 1) is initiated as soon as it is determined by means of the sensors S that no noticeable material movement is taking place. If the decay time is often overestimated by simulations, so can the
  • the pouring process can usually be accelerated considerably.
  • the excess material can usually be separated very effectively from the component.
  • delays can be avoided by the primarily triggered movement in the next pouring pose, which is based on a simulation-based conditional overestimation of the discharge time. It turns out that the emptying time for the component can be reduced considerably by the invention in many cases.

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Abstract

Zum Separieren überschüssigen Werkstoffs (WS) von einem addi- tiv hergestellten Bauteil (BT), werden räumlich aufgelöste Strukturdaten (CAD) des Bauteils (BT) empfangen. Anhand der Strukturdaten (CAD) wird ein Ausschüttvorgang von Werkstoff (WS) aus dem Bauteil (BT) simuliert, wobei eine Abfolge von Ausschüttposen (AP(1),...,AP(N)) des Bauteils (BT) ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird für eine jeweilige Ausschüttpose (AP(K)): - das Bauteil abhängig vom simulierten Ausschüttvorgang in die jeweilige Ausschüttpose (AP(K)) bewegt, - eine Werkstoffbewegung sensorisch detektiert, - infolge einer Detektion eines Abflauens der Werkstoffbewe- gung ein Auslösesignal (TR) generiert, und - durch das Auslösesignal (TR) eine Bewegung des Bauteils (BT) in eine nachfolgende Ausschüttpose (AP(K+1)) veran- lasst, wobei das Auslösesignal (TR) vorrangig vor dem simu- lierten Ausschüttvorgang berücksichtigt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anordnung zum Separieren überschüssigen Werk stoffs von einem additiv hergestellten Bauteil
In zeitgemäßen Produktionsprozessen gewinnt die additive Fer tigung zunehmend an Bedeutung. Sie erlaubt es, Produkte mit nahezu beliebig komplexen Umrissen und Topologien mit ver hältnismäßig geringem Aufwand zu produzieren. Verglichen mit klassischen Fertigungsverfahren sind bei der additiven Ferti gung nur wenige konstruktive Nebenbedingungen einzuhalten.
Eine bekannte additive Fertigungstechnologie ist das soge nannte Pulverbettverfahren, das insbesondere bei der Herstel lung von metallischen Bauteilen Anwendung findet. Hierbei wird der Werkstoff für das herzustellende Bauteil in Form ei nes Pulverbetts, Fluidbetts bzw. Werkstoffbetts schichtweise bereitgestellt. Zur Herstellung des Bauteils werden dann die einzelnen Partikel des Werkstoffs Schicht für Schicht mitei nander verbunden. Der Werkstoff kann hierbei ein Metall, ein Polymerpulver, ein anorganisches Material oder ein anderes pulverförmiges oder flüssiges Material sein. Die Verbindung der Werkstoffpartikel kann durch physikalische oder chemische Prozesse, durch Sintern, Verkleben, Aufschmelzen, Erstarren oder andere Verbindungsverfahren bewirkt werden. Bekannte Verfahren sind Laserschmelzen und Lasersintern sowie die An wendung von UV-Strahlung zur Aushärtung flüssiger Werkstoffe.
Der nicht verbundene, d.h. überschüssige Werkstoff dient wäh rend des Fertigungsprozesses als eine passive Stützstruktur, so dass beispielsweise überhängende Geometrien realisiert werden können. Ähnliches gilt auch für Fluide oder fluidi sierbare Materialien, wie z.B. durch UV-Strahlen aushärtbare Monomere. Nach Beendigung des Fertigungsprozesses füllt der nicht verbundene Werkstoff häufig das Bauteil komplett oder zumindest teilweise aus und muss nach Entnahme des Bauteils aus dem Werkstoffbett aus den Hohlräumen des finalen Bauteils entfernt werden. Bisher erfolgt die Entfernung des überschüssigen Werkstoffs manuell oder durch maschinelles Rotieren oder Schütteln des Bauteils. Eine solche Vorgehensweise kann jedoch - insbeson dere, wenn das Bauteil Hohlräume mit komplexer Geometrie auf weist - sehr langwierig sein.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, die eine effiziente Separierung überschüssigen Werkstoffs von einem additiv hergestellten Bauteil erlauben.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkma len des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.
Zum Separieren überschüssigen Werkstoffs von einem additiv hergestellten Bauteil, werden räumlich aufgelöste Strukturda ten des Bauteils empfangen. Anhand der Strukturdaten wird ein Ausschüttvorgang von Werkstoff aus dem Bauteil simuliert, wo bei eine Abfolge von Ausschüttposen des Bauteils ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird für eine jeweilige Ausschüttpose
- das Bauteil abhängig vom simulierten Ausschüttvorgang in die jeweilige Ausschüttpose bewegt,
- eine Werkstoffbewegung sensorisch detektiert,
- infolge einer Detektion eines Abflauens der Werkstoffbewe gung ein Auslösesignal generiert, und
- durch das Auslösesignal eine Bewegung des Bauteils in eine nachfolgende Ausschüttpose veranlasst, wobei das Auslöse signal vorrangig vor dem simulierten Ausschüttvorgang be rücksichtigt wird.
Durch die Simulation des Ausschüttvorgangs und eine darauf basierende Bewegung des Bauteils in vorteilhafte Ausschüttpo sen kann der überschüssige Werkstoff in der Regel sehr effek tiv vom Bauteil separiert werden. Insbesondere können durch die vorrangige Auslösung einer Bewegung in eine nachfolgende Ausschüttpose Verzögerungen vermieden werden, die auf einer Überschätzung einer Ausschüttdauer durch die Simulation ba sieren. Es erweist sich, dass eine Entleerungsdauer für das Bauteil durch die Erfindung in vielen Fällen erheblich redu ziert werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann anhand der Strukturdaten ein Hohlraum des Bauteils ermittelt und in räumliche Bereiche eingeteilt werden. Für einen jewei ligen räumlichen Bereich kann dann eine Weglänge eines im Hohlraum verlaufenden Wegs zu einer Öffnung des Hohlraums so wie eine Schüttrichtung, in der sich diese Weglänge verkürzt, ermittelt und dem jeweiligen räumlichen Bereich zugeordnet werden. Aus den ermittelten Schüttrichtungen kann die Abfolge von Ausschüttposen abgeleitet werden. Die Schüttrichtung gibt für einen jeweiligen räumlichen Bereich eine Richtung an, in der der dort befindliche Werkstoff zu befördern oder zu schütten ist, um sich der Öffnung zu nähern. Vorzugsweise kann als Schüttrichtung lokal die Richtung eines negativen Gradienten der ortsabhängigen Weglänge ermittelt werden. Der negative Gradient gibt diejenige Richtung an, in der sich die Weglänge maximal verkürzt.
Zur Einteilung in räumliche Bereiche, kann ein virtuelles räumliches Gitter über das Bauteil oder den Hohlraum gelegt werden. Die räumlichen Bereiche werden dann durch die im Hohlraum des Bauteils befindlichen oder damit überlappenden Gitterzellen dieses virtuellen Gittes gebildet.
Vorzugsweise kann eine kürzeste Weglänge eines jeweiligen räumlichen Bereichs zur Öffnung mittels eines Fast-Marching- Verfahrens ermittelt werden. Zur Ausführung von Fast- Marching-Verfahren stehen eine Vielzahl von effizienten Stan dardroutinen zur Verfügung. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Hohlraum des Bauteils simulativ mit virtuellem Werkstoff ge füllt werden. Weiterhin kann ein räumlicher Bereich selek tiert werden, der eine kürzere Weglänge zur Öffnung aufweist und/oder mit mehr virtuellem Werkstoff gefüllt ist als andere räumliche Bereiche. Hieraus kann eine dem selektierten räum lichen Bereich zugeordnete Schüttrichtung ermittelt werden, aus der dann eine Ausschüttpose abgeleitet wird. Die Aus schüttpose des Bauteils kann vorzugsweise so gewählt werden, dass die ermittelte Schüttrichtung in Schwerkraftrichtung nach unten weist.
Insbesondere kann im Rahmen der Simulation des Ausschüttvor gangs eine bewegungsbedingte Verteilung von virtuellem Werk stoff im Bauteil simuliert werden. Dies erlaubt in vielen Fällen eine genauere Simulation des Ausschüttvorgangs.
Weiterhin kann das Bauteil durch eine Bewegungsvorrichtung in unterschiedliche räumliche Ausrichtungen rotiert und/oder in mechanische Schwingungen versetzt werden. Eine Amplitude, Frequenz oder Schwingungsrichtung der Schwingung kann dabei vorzugsweise simulativ optimiert werden. Mechanische Schwin gungen des Bauteils während des Ausschüttvorgangs begünstigen einen gleichverteilten und damit häufig besser simulierbaren Zustand des überschüssigen Werkstoffs im Bauteil. Zudem kann der Werkstoff durch die Schwingungen gewissermaßen aus dem Bauteil herausgeschüttelt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Werkstoffbewegung mittels einer Waage detektiert werden, durch die aus dem Bauteil ausgeschütteter Werkstoff gewogen wird. Das Auslösesignal kann dann generiert werden, sobald ein Gewicht des ausgeschütteten Werkstoffs zumindest nähe rungsweise stationär bleibt, d.h. sich nicht mehr oder nicht mehr wesentlich ändert.
Darüber hinaus kann aus dem Bauteil fallender Werkstoff mit tels eines optischen Sensors, insbesondere einer Kamera oder einer Lichtschranke detektiert werden. Das Auslösesignal kann generiert werden, sobald ein Detektionsergebnis einen vorge gebenen Schwellwert unterschreitet.
Zur Detektion des aus dem Bauteil fallenden Werkstoffs kann dieser mittels eines Lasers beleuchtet werden. Insbesondere kann ein schnell rotierender oder anderweitig bewegter Laser strahl zur Beleuchtung des fallenden Werkstoffs in einer Ebe ne verwendet werden. Mehrere rotierende Laserstrahlen können zur Beleuchtung in unterschiedlichen Ebenen und mit unter schiedlichen Farben eingesetzt werden.
Ferner können Geräusche von aus dem Bauteil fallendem Werk stoff mittels eines akustischen Sensors detektiert werden.
Das Auslösesignal kann generiert werden, sobald ein Detekti onsergebnis einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
Darüber hinaus können Bewegungen des Werkstoffs innerhalb des Bauteils mittels eines Bewegungssensors detektiert werden.
Das Auslösesignal kann generiert werden, sobald ein Detekti onsergebnis einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
Ein solcher Bewegungssensor kann beispielsweise ein Laserin terferometer oder ein Mikrosystem, insbesondere ein sog. MEMS (MicroElectroMechanical System) zur Detektion kleiner Bewe gungen des Bauteils oder des darin befindlichen Werkstoffs umfassen. Die Detektion kann insbesondere über eine Frequenz detektion erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung kann nach Detektion des Abflauens der Werkstoffbewegung eine vorgegebene Zeitspanne gewartet werden, bevor das Bau teil in die nachfolgende Ausschüttpose bewegt wird. Hierdurch kann in vielen Fällen sichergestellt werden, dass auch even tuelle Restbewegungen des Werkstoffs, insbesondere im Innern des Bauteils zum Erliegen kommen. Die Zeitspanne kann absolut vorgegeben werden oder relativ zu einem posenspezifischen Zeitraum oder zu einem bereits verstrichenen Zeitraum. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei veranschaulichen jeweils in schematischer Darstellung:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Anordnung,
Figur 2 eine Simulation eines Ausschüttvorgangs,
Figur 3 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsge mäße Anordnung A zum Separieren überschüssigen Werkstoffs WS von einem additiv, d.h. mittels eines additiven Fertigungs verfahrens hergestellten Bauteil BT . Das Bauteil BT ist vor zugsweise durch einen 3D-Drucker im Pulverbettverfahren her gestellt, bei dem, wie einleitend dargestellt, einzelne Par tikel eines pulverförmigen oder fluiden Werkstoffs Schicht für Schicht miteinander verbunden werden. Der bei der additi ven Fertigung nicht verbundene und damit überschüssige Werk stoff WS ist entsprechend zu entfernen. Figur 1 zeigt das Bauteil BT nach Beendigung des schichtweisen Fertigungspro zesses, aber noch vor Entfernung des überschüssigen, nicht verbundenen Werkstoffs WS.
Die Anordnung A weist eine Schwingungsvorrichtung SV, eine Positioniervorrichtung PV, eine Steuerung CTL sowie eine Sen sorik S auf.
Das Bauteil BT ist mit der Schwingungsvorrichtung SV mecha nisch gekoppelt, die wiederum mit der Positioniervorrichtung PV mechanisch gekoppelt ist. Die Positioniervorrichtung PV, die vorzugsweise als Roboterarm ausgebildet ist, dient dazu, das Bauteil in unterschiedliche Posen zu versetzen. Eine Pose bezeichnet eine räumliche Lage des Bauteils und umfasst des sen Position und räumliche Orientierung oder Ausrichtung. Durch die Positioniervorrichtung PV kann das Bauteil also in unterschiedliche Positionen und räumliche Ausrichtungen be wegt werden. Die Schwingungsvorrichtung SV dient dazu, das Bauteil BT in mechanische Schwingungen zu versetzen. Eine Amplitude, Fre quenz und/oder Schwingungsrichtung der mechanischen Schwin gungen ist hierbei vorzugsweise variierbar. Die Positionier vorrichtung PV kann das Bauteil BT gemeinsam mit der Schwin gungsvorrichtung SV um eine oder mehrere Rotationsachsen ro tieren und translatorisch verfahren. Vorzugsweise kann das Bauteil BT durch eine als Roboterarm ausgebildete Positio niervorrichtung PV einer 3D-Fertigungsumgebung, wie bei spielsweise einem 3D-Drucker entnommen und an der Schwin gungsvorrichtung SV fixiert werden. Die Positioniervorrich tung PV und die Schwingungsvorrichtung SV sind Teil einer Be wegungsvorrichtung BV zum Bewegen des Bauteils BT .
Die Sensorik S, die Positioniervorrichtung PV, die Schwin gungsvorrichtung SV bzw. die Bewegungsvorrichtung BV sind mit der Steuerung CTL gekoppelt. Die Steuerung CTL dient zum Steuern der Bewegungsvorrichtung BV, d.h. zum Steuern der Po sitionierung und Ausrichtung des Bauteils BT durch die Posi tioniervorrichtung PV sowie zum Steuern der durch die Schwin gungsvorrichtung SV zu bewirkenden Schwingungen.
Erfindungsgemäß wird die Bewegungsvorrichtung BV so gesteu ert, dass das Bauteil BT nacheinander verschiedene Posen ein nimmt, in denen der überschüssige Werkstoff WS möglichst schnell und/oder vollständig ausgeschüttet wird. Derartige vorteilhafte Ausschüttposen werden anhand einer Simulation eines oder mehrerer Ausschüttvorgänge ermittelt. Diese Simu lation wird anhand eines volumetrischen Modells CAD des Bau teils BT durch die Steuerung CTL ausgeführt. Das volumetri sche Modell CAD wird dabei durch räumlich aufgelöste Struk turdaten des Bauteils BT dargestellt, die zur Steuerung CTL übermittelt werden. Anhand dieser Simulation ermittelt die Steuerung CTL geeignete Bewegungsdaten BD zum Ansteuern der Positioniervorrichtung PV und der Schwingungsvorrichtung SV bzw. der Bewegungsvorrichtung BV. Durch die Bewegungsdaten BD werden vom Bauteil BT einzunehmende Ausschüttposen sowie Fre- quenz, Amplitude und/oder Schwingungsrichtungen von Schwin gungen quantifiziert. Eine jeweilige Ausschüttpose des Bau teils BT kann vorzugsweise durch eine eine Position des Bau teils BT quantifizierende Positionsangabe zusammen mit einer eine räumliche Orientierung oder Ausrichtung des Bauteils BT quantifizierenden Winkelangabe spezifiziert werden. Als Win kelangaben können insbesondere Raumwinkel oder Eulerwinkel verwendet werden.
Die Bewegungsvorrichtung BV empfängt die Bewegungsdaten BD von der Steuerung CTL und wird durch die Bewegungsdaten BD gesteuert. Auf diese Weise wird die Positioniervorrichtung PV dazu veranlasst, das Bauteil BT in eine Ausschüttpose zu be wegen, in der der überschüssige Werkstoff WS möglichst schnell und effektiv ausgeschüttet wird. Darüber hinaus wird die Schwingungsvorrichtung SV dazu veranlasst, das Bauteil BT derart in mechanische Schwingungen zu versetzen, dass der Ausschüttvorgang nach Möglichkeit beschleunigt wird. Der Werkstoff WS wird hierbei gewissermaßen aus dem Bauteil BT herausgeschüttelt .
Ein während des Ausschüttvorgangs ausgeschütteter oder aus dem Bauteil BT fallender Werkstoff WS wird durch die Sensorik S detektiert. Die Sensorik S dient insbesondere dazu, eine durch den Ausschüttvorgang bedingte Bewegung des Werkstoffs WS und speziell ein Abflauen dieser Bewegung zu detektieren. Zu diesem Zweck kann die Sensorik S unterschiedliche Sensoren aufweisen. So kann insbesondere eine Waage W vorgesehen sein, durch die der aus dem Bauteil BT ausgeschüttete Werkstoff WS fortlaufend gewogen wird. Anstelle oder zusätzlich zur Waage W kann auch ein anderer Mengensensor zur Erfassung des ausge schütteten Werkstoffs WS vorgesehen sein. Weiterhin kann zur Detektion des ausgeschütteten Werkstoffs WS ein optischer Sensor OS, beispielsweise eine Kamera oder eine Lichtschran ke, verwendet werden, vorzugsweise zusammen mit einem Laser L zur Beleuchtung des ausgeschütteten Werkstoffs WS. Ferner können Geräusche des aus dem Bauteil BT fallendem Werkstoffs WS oder des sich im Bauteil BT bewegenden Werkstoffs WS mit- tels eines akustischen Sensors AS detektiert werden. Darüber hinaus können Bewegungen des Werkstoffs WS innerhalb des Bau teils BT mittels eines Bewegungssensors BS, z.B. mittels ei nes Laserinterferometers oder eines sog. MEMS (MicroElectro- Mechanical System) detektiert werden.
Sobald mittels der Sensorik S festgestellt wird, dass keine merkliche Werkstoffbewegung mehr stattfindet, kann in der Re gel davon ausgegangen werden, dass auch die Bewegungen des Werkstoff WS im Inneren des Bauteils BT abgeklungen sind. So bald dieser Zustand eintritt, kommen die Entleerung des Bau teils und auch eventuelle Ümschüttvorgänge im Inneren des Bauteils BT für die aktuelle Pose zum Erliegen. Insofern vie le Simulationen die Dauer von Ausschüttvorgängen überschät zen, erweist es sich als sehr vorteilhaft, das Bauteil unmit telbar nach der Detektion des Abflauens der Werkstoffbewegung in die nächste Auschüttpose zu bringen, ohne eine durch die Simulation ermittelte Zeitdauer abzuwarten.
Dementsprechend wird von der Sensorik S infolge der Detektion des Abflauens der Werkstoffbewegung ein Auslösesignal TR ge neriert und zur Steuerung CTL übermittelt. Das Auslösesignal TR kann insbesondere dann generiert werden, sobald ein durch die Waage W gemessenes Gewicht des ausgeschütteten Werkstoffs WS zumindest näherungsweise stationär bleibt, d.h. sich nicht mehr oder nicht mehr wesentlich ändert. Im Falle der anderen Sensoren OS, AS und BS kann das Auslösesignal TR generiert werden, sobald ein Detektionsergebnis einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
Infolge des Empfangs des Auslösesignals TR wird die Bewe gungsvorrichtung BV durch die Steuerung CTL dazu veranlasst, das Bauteil BT in die nächste Ausschüttpose zu bewegen.
Figur 2 veranschaulicht eine Simulation eines Ausschüttvor gangs von überschüssigem Werkstoff WS aus dem Bauteil BT . In sofern in Figur 2 die gleichen oder korrespondierende Bezugs zeichen verwendet werden wie in Figur 1, werden hierdurch die gleichen oder korrespondierende Entitäten bezeichnet, die vorzugsweise wie oben beschrieben implementiert oder reali siert sind.
Zur Simulation des Ausschüttvorgangs werden Verfahrensschrit te S1 bis S7 vorzugsweise durch die Steuerung CTL ausgeführt.
In Verfahrensschritt S1 wird ein volumetrisches Modell CAD des Bauteils BT in Form von räumlich aufgelösten Strukturda ten des Bauteils BT von der Steuerung CTL eingelesen. Das vo lumetrische Modell CAD kann insbesondere als sogenanntes CAD- Modell (CAD: Computer Aided Design) vorliegen. Anhand des vo lumetrischen Modells CAD wird ein Hohlraum H des Bauteils BT ermittelt, der nach der additiven Fertigung des Bauteils BT mit überschüssigem Werkstoff WS gefüllt ist und über eine Öffnung E des Bauteils BT zu entleeren ist.
Der Hohlraum H wird zur Simulation des Ausschüttvorgangs in eine Vielzahl von räumlichen Bereichen RB eingeteilt. Zu die sem Zweck kann vorzugsweise ein virtuelles räumliches Gitter über das Bauteil BT oder über den Hohlraum H gelegt werden. Die räumlichen Bereiche RB werden dann durch die im Hohlraum H befindlichen oder mit diesem überlappenden Gitterzellen dargestellt. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in Figur 2 nur wenige dieser räumlichen Bereiche RB explizit darge stellt .
Im Verfahrensschritt S2 werden anhand des volumetrischen Mo dells CAD für einen jeweiligen räumlichen Bereich RB jeweils eine Weglänge eines im Hohlraum H verlaufenden Wegs zur Öff nung E ermittelt. Die jeweiligen Weglängen sind im rechten oberen Teil von Figur 2 schattiert dargestellt, wobei dunkle re Bereiche näher an der Öffnung E angeordnet sind als helle re Bereiche. Vorteilhafterweise können die Weglängen mit Hil fe eines sogenanntes Fast-Marching-Verfahrens ermittelt wer den, durch das für jeden räumlichen Bereich RB jeweils ein kürzester Weg von diesem räumlichen Bereich zur Öffnung E er mittelt wird. Gemäß des Fast-Marching-Verfahrens können die kürzesten Wege und deren Weglängen ermittelt werden, indem eine virtuelle, von der Öffnung E ausgehende Wellenausbrei tung betrachtet und für jeden der räumlichen Bereiche RB eine Ankunftszeit ermittelt wird. Die Ankunftszeiten entsprechen dann den zu ermittelnden Weglängen.
Weiterhin wird für einen jeweiligen Bereich RB eine jeweilige lokale Schüttrichtung ermittelt, in der sich die lokale Weg länge am meisten verkürzt. Diese Schüttrichtung wird vorzugs weise als negativer Gradient eines Weglängenfeldes ermittelt. Die jeweils ermittelte Weglänge und Schüttrichtung wird dem jeweiligen räumlichen Bereich zugeordnet.
Im Verfahrensschritt S3 wird der Hohlraum H anhand des volu metrischen Modells CAD simulativ mit virtuellen Werkstoffpar tikeln VWP vollständig oder teilweise gefüllt. Hierbei kann ein virtueller Werkstoffpartikel VWP in einer Simulation stellvertretend für eine Vielzahl realer Werkstoffpartikel stehen. Bei Verwendung anderer Simulationen kann eine Füllung mit virtuellem Werkstoff entsprechend anders realisiert wer den .
Weiterhin wird ein Zähler K für die zu ermittelnden Aus schüttposen zu K=1 initialisiert.
Im Verfahrensschritt S4 wird eine für einen aktuellen Füllzu stand des Bauteils BT mit virtuellen Werkstoffpartikeln VWP vorteilhafte Ausschüttpose AP (K) sowie eine geeignete Schwin gung des Bauteils BT ermittelt. Die Wahl der aktuellen Aus schüttpose AP (K) bestimmt den Entleerungsprozess, bei dem die Schwerkraft eine treibende Kraft ist und durch das Schütteln des Bauteils BT unterstützt wird. Die Wahl der Ausschüttpose AP (K) basiert auf einer Analyse des aktuellen Füllzustandes des Bauteils BT sowie der ermittelten Weglängen und Schütt richtungen .
Um eine vorteilhafte Ausschüttpose AP (K) zu ermitteln, werden die räumlichen Bereiche RB nach einem aktuell mit vielen, insbesondere möglichst vielen virtuellen Werkstoffpartikeln VWP gefüllten räumlichen Bereich durchsucht, dem eine kurze, insbesondere möglichst kurze Weglänge zur Öffnung E zugeord net ist. Gegebenenfalls kann für einen jeweiligen räumlichen Bereich RB ein Schüttparameter ermittelt werden, in dem eine aktuell darin enthaltene Menge an virtuellen Werkstoffparti keln VWP mit der zugeordneten Weglänge, z.B. in Form einer gewichteten Summe verrechnet wird. Vorzugsweise wird ein sol cher Schüttparameter durch eine kürzere Weglänge sowie durch eine größere Anzahl von aktuell enthaltenen virtuellen Werk stoffpartikeln VWP erhöht und andernfalls verringert. In die sem Fall kann aus den räumlichen Bereichen RB ein räumlicher Bereich selektiert werden, der den höchsten Schüttparameter aufweist .
Anschließend wird eine dem gefundenen oder selektierten räum lichen Bereich zugeordnete Schüttrichtung ermittelt. Anhand der ermittelten Schüttrichtung wird eine Ausschüttpose AP (K) festgelegt, durch die das Bauteil BT so ausgerichtet würde, dass die ermittelte Schüttrichtung in Schwerkraftrichtung nach unten weist.
Weiterhin werden Bewegungsdaten bestimmt, die die ermittelte Ausschüttpose AP (K) quantifizieren. Darüber hinaus werden weitere Bewegungsdaten ermittelt, durch die das Bauteil BT in den Ausschüttvorgang beschleunigende Schwingungen versetzt würde. Die weiteren Bewegungsdaten können insbesondere
Amplitude, Frequenz sowie Schwingungsrichtung dieser Schwin gungen spezifizieren. Die ermittelten Bewegungsdaten werden in einem Datensatz BD(K) zusammengefasst, die einen spezifi schen Bewegungsschritt für das Bauteil BT quantifizieren.
Im Verfahrensschritt S5 wird der durch diesen Bewegungs schritt spezifisch induzierte Ausschüttvorgang von virtuellen Werkstoffpartikeln VWP aus der Öffnung E des Bauteils BT phy sikalisch simuliert. Ein hierfür zu verwendendes Simulations modell kann anhand des volumetrischen Modells CAD implemen tiert oder initialisiert werden. Im Rahmen der Simulation wird das Bauteil BT anhand der im Verfahrensschritt S4 ermittelten Bewegungsdaten BD(K) virtu ell in die Ausschüttpose AP (K) gebracht und in Schwingungen versetzt. Insbesondere wird hierbei eine bewegungsbedingte Verteilung der virtuellen Werkstoffpartikel VWP im Bauteil BT simuliert. Wie oben bereits erwähnt, wird der Ausschüttvor gang durch die Schwerkraft angetrieben und durch die Schwin gungen unterstützt. Durch die Schwingungen kann das Werk stoffpulver in vielen Fällen effektiv „fluidisiert" werden oder eine Viskosität eines Werkstofffluids verringert werden, wodurch eine simulationstechnische Behandlung häufig erheb lich vereinfacht wird. Vorzugsweise wird die Bewegung der virtuellen Werkstoffpartikel VWP mittels einer Partikelsimu lation berechnet. Derartige Partikelsimulationsverfahren kön nen insbesondere auf Grafikprozessoren effizient berechnet werden .
Als Ergebnis der Simulation des spezifischen Bewegungs schritts, d.h. des spezifischen Ausschüttvorgangs in der Aus schüttpose AP (K) wird ein hieraus resultierender zeitlicher Verlauf einer Verteilung der virtuellen Werkstoffpartikel VWP im Bauteil BT ermittelt. Insbesondere wird ein resultierender zeitlicher Verlauf eines Füllgrads des Bauteils BT mit virtu ellen Werkstoffpartikeln VWP ermittelt. Die aktuelle Aus schüttpose AP (K) , der resultierende Verlauf der Verteilung der virtuellen Werkstoffpartikel VWP sowie der resultierende Füllgradverlauf werden dem jeweiligen Bewegungsschritt zuge ordnet .
Im Verfahrensschritt S6 wird geprüft, ob der Hohlraum H vir tuell entleert ist. Hierzu kann ein Zielwert für die Entlee rung vorgegeben sein, z.B. ein Restfüllgrad, bei dessen Un- terschreitung das Bauteil BT als entleert oder gebrauchsfer tig gilt. Sofern der Hohlraum H nicht entleert ist, wird der Zähler K inkrementiert, und es erfolgt ein Rücksprung zum Verfahrensschritt S4, in dem die nächste Ausschüttpose AP(K+1) ermittelt wird. Andernfalls wird der Verfahrens schritt S7 ausgeführt.
Im Verfahrensschritt S7 werden die Simulationsergebnisse do kumentiert und eine darauf basierende Steuerdatei generiert. Die Steuerdatei enthält eine Abfolge der ermittelten Aus schüttposen AP ( 1 ) , ... , AP (N) , zugehörige Bewegungsdaten
BD ( 1 ) , ... , BD (N) zum Ansteuern der Bewegungsvorrichtung BV sowie weitere Simulationsergebnisse. Im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel enthält die Steuerdatei für einen K-ten simu lierten Bewegungsschritt die zugehörige Ausschüttpose AP (K) , die den Bewegungsschritt spezifizierenden Bewegungsdaten BD(K) sowie den aus dem Bewegungsschritt resultierenden Ver lauf der Verteilung der virtuellen Werkstoffpartikel VWP im Bauteil BT .
Figur 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Ver fahrens zum Separieren von überschüssigem Werkstoff WS vom Bauteil BT . Insofern in Figur 3 die gleichen oder korrespon dierende Bezugszeichen verwendet werden wie in den vorange gangenen Figuren, werden hierdurch die gleichen oder korres pondierende Entitäten bezeichnet, die vorzugsweise wie oben beschrieben implementiert oder realisiert sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise durch die Steuerung CTL ausgeführt, die zur Ausführung insbesondere über einen oder mehrere Prozessoren, Computer, anwendungsspe zifische integrierte Schaltungen (ASIC) , digitale Signalpro zessoren (DSP) und/oder sogenannte „Field Programmable Gate Arrays" (FPGA) verfügen kann.
In einem initialen Verfahrensschritt S10 wird anhand des vo lumetrischen Modells CAD ein Ausschüttvorgang, wie im Zusam menhang mit Figur 2 beschrieben, durch die Verfahrensschritte S1 bis S7 simuliert. Als Ergebnis der Simulation wird, wie oben beschrieben, eine Steuerdatei generiert, die die Abfolge der ermittelten Ausschüttposen AP ( 1 ) , ... , AP (N) , die zugehö rigen Bewegungsdaten BD ( 1 ) , ... , BD (N) zum Ansteuern der Bewe- gungsvorrichtung BV sowie für eine jeweilige Ausschüttpose AP (K) den daraus resultierenden zeitlichen Verlauf der Ver teilung der virtuellen Werkstoffpartikel VWP im Bauteil BT enthält. Die Simulation kann vorzugsweise vorab oder offline durchgeführt werden.
Vor Ausführung eines nächsten Verfahrensschritts Sil wird der Zähler K für die Ausschüttposen zu K=1 initialisiert.
Im Verfahrensschritt Sil wird die Bewegungsvorrichtung BV an hand der Bewegungsdaten BD(K) dazu veranlasst, das Bauteil BT in die Ausschüttpose AP (K) zu bewegen und in Schwingungen zu versetzen. Die Bewegung des Bauteils BT bzw. deren zeitlicher Verlauf orientiert sich hierbei am zeitlichen Verlauf der si mulierten Werkstoffverteilung.
In einem weiteren Verfahrensschritt S12 wird der in der Aus schüttpose AP (K) aus dem Bauteil BT ausgeschüttete Werkstoff WS - wie im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert - durch die Sensorik S fortlaufend detektiert. Hierbei wird insbesondere eine Bewegung des ausgeschütteten Werkstoffs WS detektiert.
In einem darauf bezogenen Verfahrensschritt S13 wird geprüft, ob die detektierte Werkstoffbewegung abflaut, d.h. signifi kant schwächer wird oder zum Erliegen kommt. Sobald festge stellt wird, dass keine merkliche Werkstoffbewegung mehr stattfindet, wird - wie im Zusammenhang mit Figur 1 beschrie ben - ein Auslösesignal TR generiert und zur Steuerung CTL übertragen. Durch das Auslösesignal TR wird die Steuerung CTL dazu veranlasst, eine Entleerungsprüfung S14 vorzunehmen und ggf. zum Verfahrensschritt Sil zurückzuspringen. Falls kein Abflauen der Werkstoffbewegung detektiert wird, erfolgt dage gen ein Rücksprung zum Verfahrensschritt S12.
Im Rahmen der Entleerungsprüfung S14 wird geprüft, ob das Bauteil BT bereits entleert ist. Diese Prüfung kann insbeson dere dadurch erfolgen, dass ein Gewicht des ausgeschütteten Werkstoffs WS mit einem Gewicht des ursprünglich im Bauteil BT befindlichen Werkstoffs WS verglichen wird. Letzteres kann z.B. anhand des volumetrischen Modells CAD ermittelt werden. Falls die Prüfung ergibt, dass das Bauteil BT entleert ist, wird die erfindungsgemäße Separation erfolgreich beendet und gelangt in einen Zielzustand ST.
Falls die Prüfung dagegen ergibt, dass das Bauteil BT noch nicht entleert ist, wird der Zähler K inkrementiert, und es erfolgt ein Rücksprung zum Verfahrensschritt Sil, in dem das Bauteil BT in die nächste Ausschüttpose AP(K+1) bewegt wird. Gegebenenfalls kann vor Beginn der Bewegung in die nächste Ausschüttpose AP (K) eine vorgegebene Zeitspanne gewartet wer den, um sicherzustellen oder eine Wahrscheinlichkeit dafür zu erhöhen, dass auch eventuelle Restbewegungen des Werkstoffs WS im Innern des Bauteils BT zum Erliegen kommen.
Wie oben bereits erwähnt, wird der Rücksprung zum Verfahrens schritt Sil durch das Auslösesignal TR veranlasst. Dabei wird das Auslösesignal TR vorrangig vor dem zeitlichen Verlauf der simulierten Werkstoffverteilung berücksichtigt. Insbesondere wird nicht eine durch die Simulation ermittelte Zeitdauer bis zum Abklingen der Werkstoffbewegung in der Ausschüttpose AP (K) abgewartet, sondern es wird auf das tatsächlich gemes sene Abflauen der Werkstoffbewegung abgestellt. D.h. in Ab weichung von der simulationsgetriebenen Ansteuerung der Bewe gungsvorrichtung BV durch die Steuerung CTL wird die Bewegung in die nächste Ausschüttpose AP(K+1) veranlasst, sobald mit tels der Sensorik S festgestellt wird, dass keine merkliche Werkstoffbewegung mehr stattfindet. Insofern die Abklingzeit durch Simulationen häufig überschätzt wird, kann so der
Auschüttvorgang in der Regel erheblich beschleunigt werden.
Durch die Simulation des Ausschüttvorgangs und die darauf ba sierende Bewegung des Bauteils in optimierte Ausschüttposen kann der überschüssige Werkstoff in der Regel sehr effektiv vom Bauteil separiert werden. Insbesondere können durch die vorrangig ausgelöste Bewegung in die nächste Ausschüttpose Verzögerungen vermieden werden, die auf einer simulationsbe- dingten Überschätzung der Ausschüttdauer basieren. Es erweist sich, dass die Entleerungsdauer für das Bauteil durch die Er findung in vielen Fällen erheblich reduziert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Separieren überschüssigen Werkstoffs (WS) von einem additiv hergestellten Bauteil (BT) , wobei
a) räumlich aufgelöste Strukturdaten (CAD) des Bauteils (BT) empfangen werden,
b) anhand der Strukturdaten (CAD) ein Ausschüttvorgang von Werkstoff (WS) aus dem Bauteil (BT) simuliert wird, wobei eine Abfolge von Ausschüttposen (AP ( 1 ),..., AP (N) ) des Bau teils (BT) ermittelt wird, und
c) für eine jeweilige Ausschüttpose (AP (K) ) :
- das Bauteil (BT) abhängig vom simulierten Ausschüttvorgang in die jeweilige Ausschüttpose (AP (K) ) bewegt wird,
- eine Werkstoffbewegung sensorisch detektiert wird,
- infolge einer Detektion eines Abflauens der Werkstoffbewe gung ein Auslösesignal (TR) generiert wird, und
- durch das Auslösesignal (TR) eine Bewegung des Bauteils (BT) in eine nachfolgende Ausschüttpose (AP(K+1)) veran lasst wird, wobei das Auslösesignal (TR) vorrangig vor dem simulierten Ausschüttvorgang berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Strukturdaten (CAD) ein Hohlraum (H) des Bau teils (BT) ermittelt und in räumliche Bereiche (RB) einge teilt wird,
dass für einen jeweiligen räumlichen Bereich (RB) eine Weg länge eines im Hohlraum (H) verlaufenden Wegs zu einer Öff nung (E) des Hohlraums (H) sowie eine Schüttrichtung (SR) , in der sich diese Weglänge verkürzt, ermittelt und dem jeweili gen räumlichen Bereich (RB) zugeordnet wird, und
dass aus den ermittelten Schüttrichtungen (SR) die Abfolge von Ausschüttposen (AP ( 1 ),..., AP (N) ) abgeleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine kürzeste Weglänge eines jeweiligen räumlichen Be reichs (RB) zur Öffnung (E) mittels eines Fast-Marching- Verfahrens ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der Hohlraum (H) des Bauteils (BT) simulativ mit virtuellem Werkstoff (VWP) gefüllt wird,
dass ein räumlicher Bereich (RB) selektiert wird, der eine kürzere Weglänge zur Öffnung (E) aufweist und/oder mit mehr virtuellem Werkstoff (VWP) gefüllt ist als andere räumliche Bereiche,
dass eine dem selektierten räumlichen Bereich (RB) zugeordne te Schüttrichtung (SR) ermittelt wird, und
dass aus der ermittelten Schüttrichtung (SR) eine Ausschütt pose (AP (K) ) abgeleitet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass im Rahmen der Simulation des Ausschüttvorgangs eine be wegungsbedingte Verteilung von virtuellem Werkstoff (VWP) im Bauteil (BT) simuliert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (BT) durch eine Bewegungsvorrichtung (BV) in un terschiedliche räumliche Ausrichtungen rotiert und/oder in mechanische Schwingungen versetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Werkstoffbewegung mittels einer Waage (W) detektiert wird, durch die aus dem Bauteil (BT) ausgeschütteter Werk stoff (WS) gewogen wird, und
dass das Auslösesignal (TR) generiert wird, sobald ein Ge wicht des ausgeschütteten Werkstoffs (WS) zumindest nähe rungsweise stationär bleibt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass aus dem Bauteil (BT) fallender Werkstoff (WS) mittels eines optischen Sensors (OS) detektiert wird, und dass das Auslösesignal (TR) generiert wird, sobald ein Detek tionsergebnis einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass zur Detektion des aus dem Bauteil (BT) fallenden Werk stoffs (WS), dieser mittels eines Lasers (L) beleuchtet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass Geräusche von aus dem Bauteil (BT) fallendem Werkstoff (WS) mittels eines akustischen Sensors (AS) detektiert wer den, und
dass das Auslösesignal (TR) generiert wird, sobald ein Detek tionsergebnis einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass Bewegungen des Werkstoffs (WS) innerhalb des Bauteils (BT) mittels eines Bewegungssensors (BS) detektiert werden, und
dass das Auslösesignal (TR) generiert wird, sobald ein Detek tionsergebnis einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass nach Detektion des Abflauens der Werkstoffbewegung eine vorgegebene Zeitspanne (T) gewartet wird, bevor das Bauteil (BT) in die nachfolgende Ausschüttpose (AP(K+1)) bewegt wird.
13. Anordnung (A) zum Separieren eines Werkstoffs (WS) von einem additiv hergestellten Bauteil (BT) , eingerichtet zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden An sprüche, mit
einer Bewegungsvorrichtung (BV) zum Bewegen des Bauteils (BT) in eine jeweilige Ausschüttpose (AP (K) ) und einer Sensorik (S) zum Detektieren einer Werkstoffbewegung.
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