EP4681109A1 - Verfahren zur optimierung einer additiven fertigung - Google Patents

Verfahren zur optimierung einer additiven fertigung

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Publication number
EP4681109A1
EP4681109A1 EP24711138.8A EP24711138A EP4681109A1 EP 4681109 A1 EP4681109 A1 EP 4681109A1 EP 24711138 A EP24711138 A EP 24711138A EP 4681109 A1 EP4681109 A1 EP 4681109A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
manufacturing
model
component model
segment
Prior art date
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Pending
Application number
EP24711138.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Simon Hümbert
Jan Haubrich
Katia Juliane Artzt
Jan Kleinert
Philipp Rosauer
Jonas Levin Weber
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.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4681109A1 publication Critical patent/EP4681109A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B33Y40/20—Post-treatment, e.g. curing, coating or polishing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Definitions

  • the present invention relates to a computer-implemented method for optimizing an additive manufacturing of a component.
  • additive manufacturing processes which are also commonly referred to as 3D printing processes, are known from the state of the art. Such processes include selective laser melting, selective electron beam melting or laser cladding and enable the near-net-shape production of complex components that could previously only be produced using complex combinations of existing processes or not at all.
  • both individual metallic materials and metallic alloys e.g. titanium, nickel, iron or aluminum-based materials
  • conventional polymers e.g. thermoplastics
  • fiber-reinforced or filled polymers can be used as starting materials.
  • the starting material is usually applied layer by layer using a powder or a wire and with thermal energy input and the component is built up additively layer by layer.
  • the processing i.e. between the process parameters, the manufacturing strategy and the material creation of the manufactured component on the one hand, and the resulting material properties of the manufactured component on the other.
  • SLM selective laser melting
  • the laser power, the laser beam quality, the scanning speed and/or the line spacing are relevant process parameters, and in the manufacturing strategy the scanning direction or the orientation of the component in the installation space are relevant.
  • the cooling rate of the starting material, after the starting material has been heated and melted by the laser radiation significantly influences the resulting material properties of the manufactured component during component creation.
  • Additive manufacturing processes that process metallic materials, such as selective laser melting, are characterized by high cooling rates, which significantly influence the metallurgy and thus the material properties of the processed material.
  • the cooling rates influence in detail the structure, the microstructures, the phases, the anisotropy or defects such as pores and cracks of the processed material.
  • Repeated energy inputs through the laser radiation and/or the melting of zones of adjacent component layers cause local complex thermal profiles in the component with repeated heating and cooling curves.
  • These complex thermal profiles lead to different material properties in different areas of a manufactured component - despite identical process parameters.
  • the structures and textures changed by the thermal treatment with the laser radiation largely determine the mechanical, electrical and thermal material properties and thus the material quality of the manufactured component.
  • the process parameters determine not only the material or component quality but also the build rate of the additive manufacturing process.
  • the build rate defines the ratio of additively manufactured volume per unit of time.
  • the build rate for selective laser melting can be in the range of 100 cm 3 /h.
  • Process parameter sets that produce a high material quality often lead to a low build rate.
  • process parameter sets that have a high build rate often lead to losses in the material quality of the manufactured component.
  • the component is usually manufactured starting from a virtual component model.
  • machine commands for the manufacturing device e.g. the 3D printer
  • Such machine commands can contain information about the energy input or the production speed of the 3D printer.
  • the virtual component model with the linked machine commands is virtually divided into a large number of layers and process-specific layer information for generating the component contour is assigned to the individual layers. In this way, for example, a first layer can be manufactured with a higher production speed or with a higher energy input than a second layer.
  • the software that creates the machine commands only specifies different parameters with regard to the component to be manufactured and the layers based on the geometry of the component to be manufactured. In the state of the art, however, it is not known to specify different parameters taking into account different acting loads, different functions and/or different requirements for the component to be manufactured.
  • the parameter sets used are usually aimed at optimal material and surface properties in the entire component. and take into account the geometry of the component to be manufactured, but neglecting the fact that the optimal material and surface properties are only required in areas of the component that are particularly stressed. This means that a component is manufactured that has optimal material and surface properties across the entire component volume, but is not manufactured in a time- and resource-efficient manner.
  • the additive manufacturing processes from the state of the art produce components that, on the one hand, have areas where optimal material and surface properties do not necessarily prevail and, on the other hand, have a low build rate, which makes the manufacture of a component time- and cost-intensive.
  • the computer-implemented method according to the invention is defined by the features of claim 1.
  • the computer-implemented method according to the invention for optimizing additive manufacturing of a component comprises the following steps: a) creating a virtual component model, b) analyzing the properties of the virtual component model to obtain at least one property value comprising a plurality of localized individual values, c) dividing the virtual component model into at least two segments based on the localized individual values of the at least one property value, d) assigning a manufacturing parameter set of a plurality of manufacturing parameter sets to each segment of the virtual component model to obtain a manufacturing model, e) converting the manufacturing model into a machine file for manufacturing the component, and f) manufacturing the component with a device for additive component manufacturing using the machine file.
  • the computer-implemented method according to the invention advantageously allows additively manufactured components to be produced at an optimized build rate, i.e. in a shorter production time. At the same time, less starting material is advantageously used, which also saves resources and costs.
  • a particularly advantageous feature of the method according to the invention is that the virtual component model is divided into at least two segments based on the localized individual values of the at least one property value.
  • a virtual component model created in this way consists of a geometry model that can be available in different formats.
  • the virtual component model can be created, for example, as a geometry model in the form of a network of triangles or polygons, as a vector-based surface model or as a file in a native software format from a manufacturer of the corresponding software.
  • the virtual component model can already be available in the form of a network geometry.
  • the properties of the virtual component model are analyzed to obtain at least one property value comprising a plurality of localized individual values.
  • Properties can be, for example, mechanical, thermal or aerodynamic properties of the component model, which can be analyzed using appropriate software.
  • the analysis of the properties generates at least one property value, which can include, for example, a mechanical stress or a stress state of the component model.
  • the property value comprises a plurality of localized individual values, which in turn contain information about the property value at a specific location of the virtual component model.
  • a specific location of the virtual component model can be assigned several pieces of stress information, for example a normal stress, which act in different spatial directions at this specific location.
  • several properties of the virtual component model can also be analyzed simultaneously or one after the other, so that at least one localized individual value can be assigned in different ways to a specific location of the virtual component model. Since information about the component model is obtained from the analysis of the properties of the virtual component model according to step b), a geometrically adapted virtual component model can be generated after the properties have been analyzed.
  • the analysis makes it known, for example, which mechanical load - for example in the form of a normal stress - acts at a specific location of the component.
  • areas that are subject to more intensive mechanical loads can have a greater wall thickness, a denser material or otherwise optimized material properties.
  • the areas of the component that are subject to less intensive mechanical stress can have non-optimized material properties or can be completely removed from the geometry model and thus manufactured with a shorter production time.
  • the virtual component model is divided into at least two segments based on the localized individual values of the at least one property value.
  • the virtual component model is divided into several segments, for example into a first segment in which a high load state is to be expected and a second segment in which a low load state is to be expected.
  • the respective load state is described by the localized individual values.
  • the virtual component model is differentiated in terms of properties. If, according to step b), only the properties of the entire virtual component model were initially analyzed, the virtual component model is divided into several segments according to step c).
  • each segment of the virtual component model is assigned a manufacturing parameter set of a plurality of different manufacturing parameter sets to obtain a manufacturing model.
  • a manufacturing parameter set can, for example, contain information about the process parameters of the additive manufacturing process, with such information defining in particular the manufacturing speed and the manufacturing quality. If the method according to the invention is used, for example, in selective laser melting, the manufacturing parameter set can contain information regarding the laser power and the scanning speed and/or define whether a segment is manufactured with a hatching pattern or with a filling pattern. Each segment can thus be manufactured with a different manufacturing parameter set that was assigned according to the analysis of the properties. According to the manufacturing parameter sets assigned to the segments, the manufactured areas of a real component have individual material properties that result from manufacturing with the manufacturing parameter sets.
  • a manufacturing model of the virtual component model is created, which Information regarding the properties of the individual segments and the manufacturing parameter sets of the virtual component model.
  • the build rate of each segment is adjusted according to the analysis carried out in step b) using an individually selected manufacturing parameter set from a plurality of different manufacturing parameter sets, and the build rate of the entire component, which consists of several segments, is optimized so that the real component can be manufactured more quickly and in a more resource-efficient manner.
  • the method according to the invention therefore selects an individual, most suitable manufacturing parameter set from a repertoire of a plurality of different manufacturing parameter sets based on the previously determined local property values and assigns it to the respective segment.
  • the manufacturing model is converted into a machine file for manufacturing a component.
  • Conversion describes a programming language translation of the information in the manufacturing model into a machine file that can be read and processed by a device for additive component manufacturing.
  • step f) of the method according to the invention the component is manufactured using a device for additive component manufacturing using the machine file.
  • a device for additive component manufacturing using the machine file can be used, for example but not exclusively, in a process of 3D printing, electron beam melting, laser beam melting, laser sintering or stereolithography.
  • the computer-implemented method according to the invention allows a component to be manufactured additively in a particularly advantageous manner.
  • the component is not only designed in terms of geometry, but also in terms of manufactured in an optimized manner to meet the required physical and, in particular, mechanical properties.
  • the manufacturing time is advantageously reduced and the build rate optimized, since a suitable set of manufacturing parameters is assigned to each segment by analyzing the properties.
  • a segment that is subjected to less mechanical stress and for which non-optimal material and surface properties are sufficient can be manufactured in a shorter time than a segment that is subjected to greater mechanical stress and which therefore requires optimal material and surface properties.
  • the build rate of a component to be manufactured additively is optimized by the method according to the invention.
  • step c) the step of dividing into at least two segments takes place based on a comparison of at least one limit value with the localized individual value.
  • a limit value can be, for example, a previously defined value, for example a voltage value. This limit value is then compared with the localized individual value of the previously determined at least one property value.
  • a first localized individual value that describes a first voltage and is above the limit value can be assigned to a first segment and a second localized individual value that describes a second voltage value and is below the limit value can be assigned to a second segment. Consequently, it can be defined in a particularly advantageous manner which localized individual values are assigned to a segment.
  • step a) after creation the virtual component model is divided into a plurality of network elements, each network element has at least one node.
  • Such network elements with nodes can be created if the virtual component model has been created using software that analyses the properties of a virtual component model.
  • the component model can be virtually structured in a particularly advantageous manner and edited using software available on the market.
  • the analysis of the properties in step b) is carried out node-based to obtain the localized individual values.
  • the geometry together with the local load state is also available in a network-based manner.
  • the information from the analysis is assigned to the virtual component model locally in a node-based manner.
  • the virtual component model now also has node-based information regarding the analyzed properties, which is available in the form of localized individual values.
  • Each node of the virtual component model can now be assigned at least one localized individual value, so that, for example, after a mechanical load analysis, information regarding a stress state is available at each node of the virtual component model.
  • the nodes of the network consisting of the network elements can thus also be assigned geometric information, for example information regarding the distances of a node to the edge areas of the component model, which enables the segments to be divided into different geometry zones.
  • Such a geometry zone can, for example, have struts, thick-walled or thin-walled areas, and strongly or slightly curved areas.
  • a node-based analysis can, for example, be carried out in the form of a stress analysis using appropriate software.
  • the nodes are assigned to a segment based on a comparison of the localized individual value with at least one threshold value.
  • the nodes are assigned to a segment in a defined manner. In this way, a segment only has nodes that have a localized individual value that is above or below the at least one threshold value. For example, a segment can have nodes that are only assigned voltage values above a predetermined threshold value.
  • Such a threshold value can, for example, represent a limit voltage, so that in a segment there are only nodes with localized individual values of a voltage that are above the respective threshold value.
  • a manufacturing parameter set can then be selected in the further process steps with which the segment is manufactured according to the stress state.
  • the respective segments which represent an individual geometric portion of the component, can thus be grouped individually and according to the information of the localized individual values or the local individual values can be assigned. Consequently, the size and the local allocation of the individual segments can be advantageously determined using a threshold value depending on the information of the localized individual values assigned to the nodes.
  • the division according to step c) based on the preferential comparison with a threshold value differs from the division based on a preferential comparison with a limit value by including the information of the localized individual values that are available in relation to nodes.
  • the comparison with a limit value can be carried out without the presence of network elements and nodes, whereas the comparison with a threshold value requires network elements and nodes.
  • the network elements that are arranged at a boundary area of segments are divided into at least two sub-network elements, which are assigned to the adjacent segments or the network elements are assigned to one of the adjacent segments. For geometric reasons, the boundary between two segments runs exactly through the nodes of the network elements.
  • the adjacent network elements can share nodes that have localized individual values above a threshold value, as well as nodes that have localized individual values below a threshold value.
  • the corresponding network element can be divided into at least two sub-network elements, with one sub-network element being assigned to one segment and the other sub-network element being assigned to the other segment.
  • the subnetwork elements can be assigned to the adjacent segments, thus ensuring that the network elements are clearly assigned to the segments.
  • the network elements are assigned directly to the adjacent segments without division.
  • the component geometry in the border area advantageously has no gaps, so that each network element is advantageously assigned to a segment.
  • segments are separated from each other by gaps.
  • the network elements in the edge area not assigned to one or the other segment.
  • a segment has several localized individual values for the porosity of the material, these porosities can be compared with each other.
  • the segment is then assigned a set of manufacturing parameters that can be used to generate the lowest porosity of all local individual values in the segment. This makes it particularly advantageous to assign an individual set of manufacturing parameters to a segment and optimize the build rate according to the desired manufacturing result.
  • Figure 1 is a schematic representation of a virtual component model according to method step a) of the method according to the invention.
  • Figure 2 shows a topology-optimized component model after the properties of the virtual component model have been analyzed according to step b) and
  • Figure 3 shows a two-segment virtual component model in plan view
  • Figure 4 shows a virtual topology-optimised component model with a network structure with a plurality of network elements and nodes
  • FIG. 5 is a schematic representation of two segments with clearly assigned network elements
  • Figure 6 is a schematic representation of two segments with network elements divided into subnetwork elements and
  • Figure 7 is a schematic representation of two segments that are spatially separated from each other by network elements represented as gaps.
  • a virtual component model 1 is shown schematically in Figure 1.
  • the virtual component model 1 shown is shown as a three-dimensional component model or volume model that was created, for example, with a 3D scan of the real component or with the help of CAD software.
  • the method according to the invention can thus advantageously be used with software available on the market.
  • Figure 2 shows the three-dimensional virtual component model according to Figure 1, which has a topology-optimized shape.
  • a topology-optimized shape of the virtual component model 1 can be created after analyzing the properties of the virtual component model.
  • the geometry has been adapted, for example, after carrying out an FE simulation with regard to a comparison stress.
  • the comparison stress represents a property of the virtual component model
  • the component model 1 according to Fig. 2 thus has several recessed areas in comparison to the component model according to Fig. 1.
  • a component model can thus advantageously be created that has a reduced volume due to the recesses and a simultaneously reinforced structure.
  • the geometry of the subsequent component has been advantageously optimized and production material saved.
  • the topology-optimized component model 1 shown in Figure 2 is therefore manufactured in a shorter production time and with less material than the initial geometry in Figure 1.
  • an analysis of the properties of the virtual component model can also be carried out in relation to other properties such as thermal or aerodynamic properties.
  • An analysis in relation to other properties can lead to a different form of the topology-optimized component model, since the component must be reinforced in other areas in relation to mechanical properties, for example in relation to thermal properties.
  • Figure 3 shows a top view of the virtual topology-optimized component model 1 according to Fig. 2, wherein the virtual component model 1 has been divided into two segments 2.
  • the virtual component model 1 has been divided into a first segment 2a and a second segment 2b based on the localized individual values of the at least one property value.
  • the segments 2a, 2b are not necessarily connected to one another, as can be seen by way of example from Figure 3.
  • the virtual component model 1 can preferably be divided based on a comparison of at least one limit value with a localized individual value.
  • a limit value can be, for example, a defined wall thickness or component thickness, so that the respective localized individual value, i.e. the local wall thickness, is compared with the limit value, i.e. a defined wall thickness.
  • this area is assigned to the first segment 2a, for example. If the localized individual value of the wall thickness is below the defined limit value, the local area is assigned to the segment 2b.
  • a set of manufacturing parameters is then assigned to each segment 2, so that each segment 2 is manufactured with a different set of manufacturing parameters. Since in the additive manufacturing process according to the invention the respective set of manufacturing parameters defines the material properties of the respective segment 2, the segments 2 are manufactured with the desired quality by selecting the respective set of manufacturing parameters.
  • Figure 4 shows a perspective oblique view of the topology-optimized component model 1, with a network structure with a large number of network elements 3 and nodes 4.
  • the virtual component model 1, which has a large number of network elements 3 with several nodes 4, can, for example, already be created in the form of a network-based geometry as part of the creation of the CAD model.
  • Another such network-based geometry of the virtual component model 1 can, for example, be generated by an FE simulation.
  • Figure 5 shows a schematic representation of two segments 2a, 2b with clearly assigned network elements 3 and several nodes 4.
  • the representation according to Fig. 5 shows the segment 2a, which borders on the segment 2b.
  • Each network element 3 has four nodes 4.
  • the darkly marked network elements 3 are clearly assigned to the segment 2a and the lightly marked network elements 3 are clearly assigned to the segment 2b.
  • Such a clear assignment of the network elements is particularly advantageous if the localized individual values assigned to the respective nodes are compared with a threshold value and the network element is assigned to a segment 2 based on this comparison.
  • a network element 3 can, for example, also have a node 4 with a localized property value that is above the threshold value and have another node 4 with a localized property value that is below a threshold value, so that the respective network element cannot be clearly assigned to a segment 2 based on the comparison with a threshold value.
  • a clear assignment of the network elements 3 to a segment 2a, 2b is particularly advantageous.
  • Figure 6 shows a schematic representation of the segments 2a, 2b with clearly assigned network elements 3 and a network element 3 that is divided into two sub-network elements 3a, 3b, as well as with several nodes 4.
  • a network element 3 that is arranged at a border area can also be virtually separated by manually adding further nodes 4a.
  • a network element 3 can be divided particularly advantageously, so that not an entire network element 3 has to be assigned to a segment 2, but only the corresponding sub-network element.
  • the segments 2 can thus be delimited from one another with a particularly high resolution and the individual segments can be manufactured with different manufacturing parameter sets separately from one another with a high resolution.
  • Figure 7 shows a schematic representation of two segments 2a, 2b having network elements 3, which are spatially separated from one another and are only connected to one another by two network elements each designed as a gap 5.
  • the aim is to use a component model that has no gaps, but it can be advantageous to separate individual segments 2a, 2b from one another only by network elements that are designed as a gap 5.
  • individual segments 2a, 2b can be arranged as close to one another as possible, but without having a common border.
  • the individual segments 2a, 2b, each of which is assigned a Manufacturing parameter set is assigned can thus be manufactured like an independent component. By separating or spacing the individual segments 2a, 2b in this way, the additive manufacturing process is carried out in an advantageous manner.
  • Reference list component model segment a first segment b second segment network element a first sub-network element b second sub-network element node a further node gap

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Abstract

Computerimplementiertes Verfahren zur Optimierung einer additiven Fertigung eines Bauteils mit den folgenden Schritten: a) Erstellen eines virtuellen Bauteilmodells (1), b) Analysieren der Eigenschaften des virtuellen Bauteilmodells (1) zum Erhalt mindestens eines Eigenschaftswertes umfassend eine Mehrzahl lokalisierter Einzelwerte, c) Unterteilen des virtuellen Bauteilmodells (1) in mindestens zwei Segmente (2) anhand der lokalisierten Einzelwerte des mindestens einen Eigenschaftswertes, d) Zuweisen eines Fertigungsparametersatzes einer Mehrzahl von Fertigungsparametersätzen zu jedem Segment (2) des virtuellen Bauteilmodells (1) zum Erhalt eines Fertigungsmodells, e) Umsetzen des Fertigungsmodells in eine Maschinendatei zur Fertigung des Bauteils, und f) Fertigen des Bauteils mit einer Vorrichtung zur additiven Bauteilfertigung unter Verwendung der Maschinendatei.

Description

Verfahren zur Optimierung einer additiven Fertigung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein computerimplementiertes Verfahren zur Optimierung einer additiven Fertigung eines Bauteils.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene additive Fertigungsverfahren, die auch im üblichen Sprachgebrauch als 3D-Druckverfahren bezeichnet werden, bekannt. Derartige Verfahren sind beispielsweise das selektive Laserschmelzen, das selektive Elektronenstrahlschmelzen oder das Laserauftragsschweißen und ermöglichen eine endkonturnahe Herstellung komplexer Bauteile, die bisher nur durch aufwendige Kombinationen bestehender Verfahren oder gar nicht herstellbar waren.
Bei den additiven Fertigungsverfahren aus dem Stand der Technik können sowohl metallische Einzelwerkstoffe, sowie metallische Legierungen (beispielsweise titan-, nickel-, eisen- oder aluminium-basierte Werkstoffe), herkömmliche Polymere (z. B. Thermoplaste) als auch faserverstärkte oder gefüllte Polymere als Ausgangswerkstoffe verwendet werden. Dabei wird der Ausgangswerkstoff meistens schicht- oder lagenweise mittels eines Pulvers oder eines Drahtes und unter thermischer Energieeintrag aufgetragen und das Bauteil wird Schicht für Schicht additiv aufgebaut.
Bei den additiven Fertigungsverfahren aus dem Stand der Technik besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Prozessierung, d.h. zwischen den Prozessparametern, der Fertigungsstrategie und der Werkstoffentstehung des gefertigten Bauteils einerseits, und den resultierenden Materialeigenschaften des gefertigten Bauteils andererseits. Bei dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens (Selective Laser Melting - SLM) sind beispielsweise als Prozessparameter die Laserleistung, die Laserstrahl-Qualität, die Scangeschwindigkeit und/oder der Linienabstand relevant und bei der Fertigungsstrategie die Scanrichtung oder die Orientierung des Bauteils im Bauraum. Weiterhin beeinflusst die Abkühlrate des Ausgangswerkstoffs, nachdem der Ausgangswerkstoff durch die Laserstrahlung erhitzt und aufgeschmolzen wurde, bei der Bauteilentstehung wesentlich die resultierenden Materialeigenschaften des gefertigten Bauteils.
Additive Fertigungsverfahren, die metallische Werkstoffe verarbeiten, wie das selektive Laserschmelzen, sind gekennzeichnet durch hohe Abkühlraten, wodurch die Metallurgie und damit die Materialeigenschaften des verarbeiteten Werkstoffs wesentlich beeinflusst werden. Die Abkühlraten beeinflussen im Detail das Gefüge, die Mikrostrukturen, die Phasen, die Anisotropie oder Defekte wie Poren und Risse des verarbeiteten Werkstoffs. Wiederholende Energieeinträge durch die Laserstrahlung und/oder das Aufschmelzen von Zonen angrenzender Bauteilschichten bewirken im Bauteil lokale komplexe thermische Profile mit wiederholten Aufheiz- und Abkühlkurven. Diese komplexen thermischen Profile führen in unterschiedlichen Bereichen eines gefertigten Bauteils - trotz identischer Prozessparameter - zu verschiedenen Materialeigenschaften. Die durch die thermische Behandlung durch die Laserstrahlung veränderten Gefüge und Texturen bestimmen maßgeblich die mechanischen, elektrischen und thermischen Werkstoffeigenschaften und damit die Materialqualität des gefertigten Bauteils. Es besteht zudem ein direkter Zusammenhang zwischen den aus den Prozessparametern resultierenden thermischen Profilen und der Bildung thermischer Eigenspannungen, die ungewünschte Verformungen des gefertigten Bauteils und ggf. eine Rissbildung beeinflussen.
Ferner bestimmen die Prozessparameter neben der Material- bzw. Bauteilqualität auch die Baurate des additiven Fertigungsverfahrens. Die Baurate definiert das Verhältnis von additiv gefertigtem Volumen je Zeiteinheit. Beispielsweise kann die Baurate für das selektive Laserschmelzen im Bereich von 100 cm3/h liegen. Dabei führen Prozessparametersätze, die eine hohe Materialqualität erzeugen häufig zu einer geringen Baurate. Umgekehrt führen Prozessparametersätze, die eine hohe Baurate aufweisen, häufig zu Einbußen in der Materialqualität des gefertigten Bauteils.
Bei den additiven Fertigungsverfahren aus dem Stand der Technik wird das Bauteil in der Regel ausgehend von einem virtuellen Bauteilmodell gefertigt. In einem Pre-processing-Schritt werden dem virtuellen Bauteilmodell zunächst Maschinenbefehle für die Fertigungsvorrichtung bspw. den 3D-Drucker zugeordnet. Derartige Maschinenbefehle können etwa Informationen über den Energieeintrag oder die Fertigungsgeschwindigkeit des 3D-Druckers aufweisen. Ferner wird das virtuelle Bauteilmodell mit den verknüpften Maschinenbefehlen virtuell in eine Vielzahl von Schichten unterteilt und prozessspezifische Schichtinformationen zur Erzeugung der Bauteilkontur werden den einzelnen Schichten zugewiesen. Auf diese Weise kann etwa eine erste Schicht mit einer höheren Fertigungsgeschwindigkeit oder mit einem höheren Energieeintrag gefertigt werden als eine zweite Schicht. Gemäß Stand der Technik werden durch die Software, welche die Maschinenbefehle erstellt im Hinblick auf das zu fertigende Bauteil und die Schichten lediglich unterschiedliche Parameter aufgrund der Geometrie des zu fertigenden Bauteils vorgegeben im Stand der Technik ist es hingegen nicht bekannt unterschiedliche Parameter unter Berücksichtigung von unterschiedlichen wirkenden Lasten, unterschiedlichen Funktion und/oder unterschiedlichen Anforderungen für das zu fertigende Bauteil vorzugeben.
In Bezug auf die Prozessparameter wird in der Regel unterschieden zwischen den Parametern, welche die Fertigung eines Volumenbereichs im Inneren des Bauteils beschreiben und den Parametern, die die Fertigung eines Kontur- oder Randbereichs beschreiben. Die verwendeten Parametersätze zielen dabei in der Regel auf optimale Material- und Oberflächeneigenschaften im gesamten Bauteil ab und berücksichtigen die Geometrie des zu fertigenden Bauteils, wobei jedoch vernachlässigt wird, dass nur an besonders belasteten Bereichen des Bauteils die optimalen Material- und Oberflächeneigenschaften benötigt werden. Dies hat zur Folge, dass ein Bauteil gefertigt wird, das zwar im gesamten Bauteilvolumen über optimale Material- und Oberflächeneigenschaften verfügt, dabei jedoch nicht zeit- und ressourcenschonend gefertigt wird. Zusammenfassend erzeugen die additiven Fertigungsverfahren aus dem Stand der Technik somit Bauteile, die einerseits über Bereiche verfügen, an denen nicht notwendigerweise optimale Material- und Oberflächeneigenschaften vorherrschen und die andererseits eine geringe Baurate aufweisen, wodurch die Fertigung eines Bauteils zeit- und kostenintensiv ist.
Ausgehend von den beschriebenen Nachteilen der aus dem Stand der Technik bekannten additiven Fertigungsverfahren ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren zur Optimierung einer additiven Fertigung eines Bauteils bereitzustellen.
Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren zur Optimierung einer additiven Fertigung eines Bauteils umfasst die folgenden Schritte: a) Erstellen eines virtuellen Bauteilmodells, b) Analysieren der Eigenschaften des virtuellen Bauteilmodells zum Erhalt mindestens eines Eigenschaftswertes umfassend eine Mehrzahl lokalisierter Einzelwerte, c) Unterteilen des virtuellen Bauteilmodells in mindestens zwei Segmente anhand der lokalisierten Einzelwerte des mindestens einen Eigenschaftswertes, d) Zuweisen eines Fertigungsparametersatzes einer Mehrzahl von Fertigungsparametersätzen zu jedem Segment des virtuellen Bauteilmodells zum Erhalt eines Fertigungsmodells, e) Umsetzen des Fertigungsmodells in eine Maschinendatei zur Fertigung des Bauteils, und f) Fertigen des Bauteils mit einer Vorrichtung zur additiven Bauteilfertigung unter Verwendung der Maschinendatei.
Durch das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren können additiv gefertigte Bauteile in vorteilhafter Weise mit einer optimierten Baurate, also in kürzerer Fertigungszeit, hergestellt werden. Gleichzeitig wird in vorteilhafterweise weniger Ausgangswerkstoff verwendet, wodurch zusätzlich Ressourcen und Kosten gespart werden. Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass eine Unterteilung des virtuellen Bauteilmodells in mindestens zwei Segmente anhand der lokalisierten Einzelwerte des mindestens einen Eigenschaftswertes vorgenommen wird.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Erstellen eines virtuellen Bauteilmodells gemäß Schritt a) beispielsweise durch eine Software, wie beispielsweise in einer handelsüblichen CAD Software erfolgen. Ein derartig erstelltes virtuelles Bauteilmodell besteht aus einem Geometriemodell, das in unterschiedlichen Formaten vorliegen kann. Das virtuelle Bauteilmodell kann beispielsweise als Geometriemodell in Form eines Netzes aus Dreiecken bzw. Polygonen, als vektorbasiertes Flächenmodell oder als eine Datei in einem nativen Software- Format eines Herstellers einer entsprechenden Software erstellt werden. Das virtuelle Bauteilmodell kann dabei bereits in Form einer Netzgeometrie vorliegen.
Gemäß Schritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Eigenschaften des virtuellen Bauteilmodells analysiert zum Erhalt mindestens eines Eigenschaftswertes umfassend eine Mehrzahl lokalisierter Einzelwerte. Die Eigenschaften können beispielsweise mechanische, thermische oder aerodynamische Eigenschaften des Bauteilmodells sein, die mittels entsprechender Software analysiert werden können. Die Analyse der Eigenschaften generiert dabei mindestens einen Eigenschaftswert, der beispielsweise eine mechanische Spannung oder einen Spannungszustand des Bauteilmodells umfassen kann.
Dabei umfasst der Eigenschaftswert eine Mehrzahl lokalisierter Einzelwerte, die wiederum Informationen des Eigenschaftswertes an einem spezifischen Ort des virtuellen Bauteilmodells aufweisen. Somit können etwa einem konkreten Ort des virtuellen Bauteilmodells mehrere Spannungsinformationen, beispielsweise eine Normalspannung, die in unterschiedlichen Raumrichtungen an diesem konkreten Ort wirken, zugeordnet werden. Selbstverständlich können auch mehrere Eigenschaften des virtuellen Bauteilmodells gleichzeitig oder nacheinander analysiert werden, sodass mindestens ein lokalisierter Einzelwert unterschiedlicher Art und Weise einem konkreten Ort des virtuellen Bauteilmodells zugeordnet werden kann. Da aus der Analyse der Eigenschaften des virtuellen Bauteilmodells gemäß Schritt b) Informationen zu dem Bauteilmodell gewonnen werden, kann nach der Analyse der Eigenschaften ein geometrisch angepasstes virtuelles Bauteilmodell generiert werden. Bei diesem Bauteilmodell ist auf Grund der Analyse beispielweise bekannt, welche mechanische Belastung - etwa in Form einer Normalspannung - an einem jeweiligen konkreten Ort des Bauteils wirken. Bei dem geometrisch angepassten Bauteilmodell können etwa Bereiche, die intensiver mechanisch belastet werden, über eine größere Wandstärke, ein dichteres Material oder über anderweitig optimierte Materialeigenschaften verfügen. Gleichzeitig können die Bereiche des Bauteils, die weniger intensiv mechanisch belastet werden, über nicht optimierte Materialeigenschaften verfügen oder gänzlich aus dem Geometriemodell entfernt werden und somit mit einer kürzeren Fertigungszeit gefertigt werden.
Gemäß Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das virtuelle Bauteilmodell in mindestens zwei Segmente anhand der lokalisierten Einzelwerte des mindestens einen Eigenschaftswertes unterteilt. Auf diese Weise wird das virtuelle Bauteilmodell in mehrere Segmente unterteilt, beispielsweise in ein erstes Segment, in dem ein hoher Belastungszustand zu erwarten ist und in ein zweites Segment, dem ein niedriger Belastungszustand zu erwarten ist. Der jeweilige Belastungszustand wird dabei durch die lokalisierten Einzelwerte beschrieben. Somit wird das virtuelle Bauteilmodell nach der Unterteilung in Bezug auf die Eigenschaften differenziert. Wurden gemäß Schritt b) zunächst lediglich die Eigenschaften des gesamten virtuellen Bauteilmodells analysiert, wird gemäß Schritt c) das virtuelle Bauteilmodell in mehrere Segmente unterteilt.
Gemäß Schritt d) wird jedem Segment des virtuellen Bauteilmodells ein Fertigungsparametersatz einer Mehrzahl von unterschiedlichen Fertigungsparametersätzen zugewiesen zum Erhalt eines Fertigungsmodells.
Ein Fertigungsparametersatz kann dabei beispielsweise Informationen über die Prozessparameter des additiven Fertigungsverfahrens enthalten, wobei derartige Informationen die insbesondere Fertigungsgeschwindigkeit und die Fertigungsqualität definieren. Wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise beim selektiven Laserschmelzen verwendet, so kann der Fertigungsparametersatz Informationen bzgl. der Laserleistung und der Scangeschwindigkeit enthalten und/oder definieren, ob ein Segment schraffierend mit einem Füllmuster oder ausfüllend gefertigt wird. Somit kann jedes Segment mit einem unterschiedlichen Fertigungsparametersatz, der entsprechend der Analyse der Eigenschaften zugewiesen wurde, gefertigt werden. Entsprechend den Segmenten zugewiesenen Fertigungsparametersätzen verfügen die gefertigten Bereiche eines realen Bauteils über individuelle und aus der Fertigung mit den Fertigungsparametersätzen resultierende unterschiedliche Materialeigenschaften.
Durch das Zuweisen eines Fertigungsparametersatzes zu jedem Segment wird ein Fertigungsmodells des virtuellen Bauteilmodells erzeugt, das somit Informationen bezüglich der Eigenschaften der einzelnen Segmente und der Fertigungsparametersätze des virtuellen Bauteilmodells aufweist.
Somit wird die Baurate jedes Segments, entsprechend der in Schritt b) durchgeführten Analyse, durch einen individuell ausgewählten Fertigungsparametersatz aus einer Mehrzahl unterschiedlicher Fertigungsparametersätze angepasst und die Baurate des gesamten Bauteils, das aus mehreren Segmenten besteht, wird optimiert, sodass das reale Bauteil ressourcenschonender und schneller gefertigt werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird folglich aus einem Repertoire einer Mehrzahl unterschiedlicher Fertigungsparametersätze ein aufgrund der zuvor ermittelten lokalen Eigenschaftswerte einzelner bestgeeigneter Fertigungsparametersatz selektiert und dem jeweiligen Segment zugeordnet.
Gemäß Schritt e) wird das Fertigungsmodell in eine Maschinendatei zur Fertigung eines Bauteils umgesetzt. Das Umsetzen beschreibt dabei ein programmiersprachliches Übersetzen der Informationen des Fertigungsmodells in eine Maschinendatei, die von einer Vorrichtung zur additiven Bauteilfertigung gelesen und verarbeitet werden kann.
In Schritt f) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bauteil mit einer Vorrichtung zur additiven Bauteilfertigung unter Verwendung der Maschinendatei gefertigt. Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise, aber nicht ausschließlich, bei einem Verfahren des 3D-Druckens, des Elektronenstrahlschmelzens, des Laserstrahlschmelzens, des Lasersinters oder der Stereolithografie zum Einsatz kommen.
Durch das erfindungsgemäße computerimplementierte Verfahren wird ein Bauteil besonders vorteilhaft additiv gefertigt. Durch die Analyse der Eigenschaften und der anschließenden Unterteilung des virtuellen Bauteilmodells in mehrere Segmente wird das Bauteil nicht nur geometriebezogen, sondern auch in Bezug auf die geforderten physischen und insbesondere mechanische Eigenschaften optimierend gefertigt. Ferner wird durch das Zuweisen unterschiedlicher Fertigungsparametersätze zu den jeweiligen Segmenten, die Fertigungszeit in vorteilhafter Weise reduziert bzw. die Baurate optimiert, da durch die Analyse der Eigenschaften jedem Segment ein geeigneter Fertigungsparametersatz zugewiesen wird. Somit kann beispielsweise ein Segment das geringerer mechanisch belastet wird und bei dem daher nicht-optimale Material- und Oberflächeneigenschaften ausreichend sind, in kürzerer Zeit gefertigt werden als ein Segment, das stärker mechanisch belastet wird und welches daher optimale Material- und Oberflächeneigenschaften benötigt. Somit wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Baurate eines additiv zu fertigenden Bauteils optimiert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im Schritt c) der Schritt des Unterteilens in mindestens zwei Segmente anhand eines Vergleiches mindestens eines Grenzwertes mit dem lokalisierten Einzelwert erfolgt. Ein derartiger Grenzwert kann beispielsweise ein vorher definierter Wert, beispielsweise ein Spannungswert sein. Dieser Grenzwert wird dann mit dem lokalisierten Einzelwert des zuvor ermittelten mindestens einen Eigenschaftswertes verglichen. Durch das Unterteilen des virtuellen Bauteilmodells anhand eines Vergleiches mindestens eines Grenzwertes mit dem lokalisierten Einzelwert wird definiert zu welchem Segment ein lokalisierter Einzelwert zuzuordnen ist. Somit kann beispielsweise ein erster lokalisierter Einzelwert, der eine erste Spannung beschreibt und der über dem Grenzwert liegt, einem ersten Segment zugeordnet werden und ein zweiter lokalisierter Einzelwert, der einen zweiten Spannungswert beschreibt und der unterhalb des Grenzwertes liegt, einem zweiten Segment zugeordnet werden. Folglich kann auf besonders vorteilhafte Weise definiert werden, welche lokalisierten Einzelwerte einem Segment zugeordnet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass im Schritt a) nach dem Erstellen das virtuelle Bauteilmodell in eine Mehrzahl von Netzelementen unterteilt wird, wobei jedes Netzelement mindestens einen Knoten aufweist. Derartige Netzelemente mit Knoten können entstehen, wenn das virtuelle Bauteilmodell mittels einer Software, die die Eigenschaften eines virtuellen Bauteilmodells analysiert, erstellt worden ist. Durch die Unterteilung des virtuellen Bauteilmodells in eine Mehrzahl von Netzelementen kann das Bauteilmodell in besonders vorteilhafter Weise virtuell gegliedert und mit auf dem Markt existierender Software bearbeitet werden.
Vorzugsweise erfolgt die Analyse der Eigenschaften im Schritt b) zum Erhalt der lokalisierten Einzelwerte knoten bezogen. Bei beispielsweise mechanischer, thermischer oder aerodynamischer Analyse mittels einer entsprechenden Software liegt die Geometrie zusammen mit dem lokalen Belastungszustand ebenfalls netzbasiert vor. Durch eine knotenbezogene Analyse der Eigenschaften, werden dem virtuellen Bauteilmodell die Informationen aus der Analyse lokal knotenbezogen zugewiesen. Somit weist das virtuelle Bauteilmodell neben den geometrischen Informationen nun auch knotenbezogen Informationen bzgl. der analysierten Eigenschaften auf, die in Form von lokalisierten Einzelwerten vorhanden sind. Mit anderen Worten: Jedem Knoten des virtuellen Bauteilmodells kann nunmehr mindestens ein lokalisierter Einzelwert zugeordnet werden, sodass beispielsweise nach einer mechanischen Belastungsanalyse an jedem Knoten des virtuellen Bauteilmodells Informationen bzgl. eines Spannungszustandes vorliegen. Den Knoten des aus den Netzelementen bestehenden Netzes können somit auch geometrische Informationen zugewiesen werden, beispielsweise Informationen bzgl. der Abstände eines Knotens zu den Randbereichen den Bauteilmodells, wodurch eine Unterteilung der Segmente in unterschiedliche Geometriezonen ermöglicht wird. Eine derartige Geometriezone kann beispielsweise Streben, dickwandige oder dünnwandige Bereiche sowie stark oder minder gekrümmte Bereiche aufweisen. Durch die knotenbezogene Analyse der Eigenschaften zum Erhalt der lokalisierten Einzelwerte werden dem virtuellen Bauteilmodell in vorteilhafter Weise Informationen bzgl. der Eigenschaften lokal zugeordnet. Eine derartige knotenbezogene Analyse kann beispielsweise in Form einer Spannungsanalyse mittels entsprechender Software durchgeführt werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im Schritt c) die Knoten zu einem Segment anhand eines Vergleichs des lokalisierten Einzelwertes mit mindestens einem Schwellenwert zugeordnet werden. Durch den Vergleich des lokalisierten Einzelwertes mit mindestens einem Schwellenwert werden die Knoten einem Segment definiert zugeordnet. Auf diese Art und Weise verfügt ein Segment nur über Knoten, die einen lokalisierten Einzelwert aufweisen, der über oder unter dem mindestens einem Schwellenwert liegt. Beispielsweise kann ein Segment Knoten aufweisen, denen lediglich Spannungswerte über einem vorher festgelegten Schwellenwert zugeordnet sind. Ein derartiger Schwellenwert kann beispielsweise eine Grenzspannung darstellen, sodass in einem Segment lediglich Knoten mit lokalisierten Einzelwerten einer Spannung vorliegen, die über dem jeweiligen Schwellenwert liegen. Entsprechend dieses Schwellenwertes kann dann in den weiteren Verfahrensschritten ein Fertigungsparametersatz ausgewählt werden, mit dem das Segment entsprechend dem Spannungszustand gefertigt wird. Somit können die jeweiligen Segmente, die einen individuellen geometrischen Anteil des Bauteils darstellen, individuell und entsprechend der Information der lokalisierten Einzelwerte gruppiert bzw. die lokalen Einzelwerte zugeordnet werden. Folglich kann die Größe und die lokale Zuordnung der einzelnen Segmente anhand eines Schwellenwertes in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von den Knoten zugeordneten Informationen der lokalisierten Einzelwerte bestimmt werden.
Dabei unterscheidet sich das Unterteilen gemäß Schritt c) anhand des vorzugsweisen Vergleiches mit einem Schwellenwert von dem Unterteilen anhand eines vorzugsweisen Vergleiches mit einem Grenzwert durch die Einbeziehung der Informationen der lokalisierten Einzelwerte, die knotenbezogen vorliegen. Der Vergleich mit einem Grenzwert kann ohne Vorliegen von Netzelementen und Knoten erfolgen, wohingegen der Vergleich mit einem Schwellwertes Netzelemente und Knoten erfordert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Netzelemente, die an einem Grenzbereich von Segmenten angeordnet sind, in mindestens zwei Teilnetzelemente aufgeteilt werden, welche den jeweils angrenzenden Segmenten zugeordnet werden oder die Netzelemente einem der angrenzenden Segmente zugeordnet werden. Geometrisch bedingt verläuft die Grenze zwischen zwei Segmenten exakt durch die Knoten der Netzelemente.
Grenzen zwei Segmente aneinander an, so können sich die angrenzenden Netzelemente Knoten teilen, die über lokalisierte Einzelwerte oberhalb eines Schwellwertes verfügen, als auch Knoten aufweisen, die über lokalisierte Einzelwerte unterhalb eines Schwellwertes verfügen. Um eine besonders vorteilhafte Zuordnung der Netzelemente zu den Segmenten zu ermöglichen, kann das entsprechende Netzelement in mindestens zwei Teilnetzelemente aufgeteilt, wobei das eine Teilnetzelement dem einen Segment und das andere Teilnetzelement dem anderen Segment zugeordnet wird.
Durch die Aufteilung der Netzelemente, die an dem Grenzbereich von Segmenten angeordnet sind, in mindestens zwei Teilnetzelemente, können die Teilnetzelemente den jeweils angrenzenden Segmenten zugeordnet werden, sodass eine eindeutige Zuordnung des Netzelemente zu den Segmenten gewährleistet ist.
Alternativ werden die Netzelemente direkt und ohne eine Aufteilung den angrenzenden Segmenten zugeordnet. Durch eine derartige Zuordnung der Netzelemente zu den jeweiligen Segmenten weist die Bauteilgeometrie in dem Grenzbereich in vorteilhafter Weise keine Lücken auf, sodass jedes Netzelement einem Segment in vorteilhafter Weise zugeordnet wird.
Es kann auch vorgesehen sein, dass Segmente durch Lücken voneinander abgetrennt werden. In diesem Fall sind die Netzelemente in dem Randbereich weder dem einen noch dem anderen Segment zugeordnet. Durch eine derartige Nichtzuordnung von Netzelementen zu einem der angrenzenden Segmente, können Segmente räumlich voneinander getrennt werden.
Zusätzlich ist es möglich durch Ergänzung weiterer Schwellenwerte eine Überlappung der Segmente zu erzeugen. Auch komplexere Überlappungs-Konzepte, wie beispielsweise schachbrettartige oder zickzackartige Anordnungen unterschiedlicher Segmente können durch zusätzliche Schwellenwerte erzeugt werden.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass bei einem Bauteilmodel, das mehrere Segmente aufweist, die einzelnen Segmente nicht zwangsläufig Zusammenhängen, also unmittelbar einander angrenzen, müssen. Um jedoch einer zu starken Fragmentierung, also einer Aufteilung des Bauteils in zu viele nicht unmittelbar zusammenhängende Segmente, entgegenzuwirken, können die Segmente, die aus wenigen Netzelementen bestehen, auch anderen Segmenten zugeordnet werden. Mit anderen Worten : Viele kleine Segmente werden zur Vereinfachung des Verfahrens in ein weiteres benachbartes Segment integriert. Somit wird auf vorteilhafte Weise eine starke Fragmentierung des Bauteils verhindert. Das Bauteilmodell weist dann eine reduzierte Anzahl an Segmenten auf, wodurch die Baurate auf vorteilhafte Weise optimiert wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Analysieren der Eigenschaften der virtuellen Bauteilmodells gemäß Schritt a) durch Simulation und/oder durch Daten über eine Belastung und/oder durch Messungen an einem realen Bauteil erfolgt. Eine Analyse durch numerische Simulation kann beispielsweise durch eine Finite-Element-Simulation (FE-Simulation) durchgeführt werden.
Das Analysieren der Eigenschaften durch Daten über einen Belastungszustand kann beispielsweise durch Daten aus einem Dehnmessstreifen oder einem anderen Sensor oder Messmittel erfolgen. Derartige Messmittel können direkt an ein reales Bauteilmodell angeordnet werden und somit die Daten beispielsweise über einen Belastungszustand des realen Bauteilmodell generieren. Messungen an einem realen Bauteilmodell können ferner beispielsweise in Form von Strömungsmessungen in einem Windkanal durchgeführt werden. Durch Analysieren der Eigenschaften durch Simulation und/oder durch Daten über eine Belastung und/oder durch Messung an einem realen Bauteilmodell können in vorteilhafter Weise auf verschiedene Arten mindestens ein Eigenschaftswert dem virtuellen Bauteilmodell zugeordnet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit in vorteilhafter Weise auf bereits bestehende Simulationen und Bauteilmodelle angewendet werden, und/oder bereits existierende Daten und Messungen eines realen Bauteilmodells verwenden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, das im Schritt e) bei der Umsetzung des Fertigungsmodells in die Maschinendatei, das Fertigungsmodell in Schichten unterteilt wird.
Alternativ oder Zusätzlich zu den Schichten kann das Fertigungsmodell auch in Bahnen, Vektoren oder alternative Elemente virtuell unterteilt werden. Während die Unterteilung, auch als "Slicing" bekannt, in Schichten bevorzugt bei einem herkömmlichen 3D-Druckverfahren angewendet wird, wird die Unterteilung in Bahnen und Vektoren bevorzugt bei Auftragsschweißverfahren und weiteren Verfahren der additiven Fertigung verwendet. Durch das Unterteilen des Fertigungsmodells in Schichten, Bahnen und/oder Vektoren kann das Fertigungsmodell auf besonders vorteilhafte Weise weiterverarbeitet werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Bauteilmodell durch ein dreidimensionales Bauteilmodell gebildet ist. Ein reales dreidimensionales Bauteilmodell kann beispielsweise durch eine Kamera- oder Scannervorrichtung aufgenommen werden, sodass aus den aufgenommenen Daten des dreidimensionalen Bauteilmodell ein virtuelles Bauteilmodell erzeugt wird. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise auch unter Einbeziehung dreidimensionaler Bauteilmodelle verwendet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das dreidimensionale Bauteilmodell ein CAD/CAM- Modell oder ein 3D-Scan des realen Bauteils ist. Somit kann in vorteilhafter Weise das erfindungsgemäße Verfahren auf bereits bestehende CAD/CAM- Modelle angewendet werden und auf dem Markt verfügbare CAD/CAM-Software kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren interagieren. Ebenso können 3D- Scans jeglicher realer Bauteile verwendet werden, sodass das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafterweise mit auf dem Markt verfügbarer Software zur Erstellung von 3D-Scans interagieren kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Bauteilmodell wenigstens eine Materialeigenschaft des Bauteils umfasst. Eine derartige Materialeigenschaft können beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, mechanische Kennwerte oder andere Werkstoffkenng roßen sein. Das Umfassen wenigstens einer Materialeigenschaft des Bauteilmodells hat sich für das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Schritt f) den weiteren Verfahrensschritt g): Überprüfen des gefertigten Bauteils durch ein Validierungsverfahren. Durch Überprüfen des gefertigten Bauteils kann von Defekten am Bauteil auf nicht-optimale Verfahrensabfolgen rückgeschlossen werden, sodass das Verfahren, insbesondere die Wahl der zugewiesen Fertigungsparametersätze, in vorteilhafter Weise optimiert werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Überprüfen des gefertigten Bauteils mittels einer Resonanzanalyse, wobei die gefertigte Struktur mechanisch geprüft wird. Aus den Resonanzfrequenzen, die bei der Resonanzanalyse verwendet werden, werden für das jeweilige Bauteil spezifische akustische Kennwerte berechnet, denen Gütemerkmale wie beispielsweise "in Ordnung", "rissbehaftet", "Material- und Gefügefehler" zugeordnet werden. Die Zuordnung erfolgt durch den Vergleich der gemessenen Kennwerte mit den Werten von Vergleichsobjekten mit bekannten Eigenschaften. Die Kennwerte sind dabei abhängig von der Geometrie, dem Material und der inneren Struktur des gefertigten Bauteils. Die Resonanzanalyse hat sich als besonders vorteilhaft für die Überprüfung des gefertigten Bauteils bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens herausgestellt. Erfindungsgemäß können jedoch auch andere Überprüfungsverfahren genutzt werden wie beispielsweise computertomografische oder Röntgenverfahren zur Überprüfung des gefertigten Bauteils auf Fehlstellen oder abweichende Materialdichten.
Vorzugsweise enthält die gemäß Verfahrensschritt e) erzeugte Maschinendatei einen G-Code. G-Code, auch RS-274-Code genannt, ist die am weitesten verbreitete CNC-Programmiersprache. Der G-Code wird hauptsächlich in der computergestützten Fertigung zur Steuerung automatisierter Werkzeug- und Fertigungsmaschinen eingesetzt. Durch die Verwendung eines G-Codes in der Maschinendatei kann das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafter Weise von einer Vielzahl von bereits existierenden Vorrichtungen der additiven Fertigung verwendet werden.
Vorzugsweise erfolgt das Zuweisen eines Fertigungsparametersatzes zu dem Segment im Schritt d) auf der Grundlage mindestens eines lokalisierten Einzelwertes mindestens eines Eigenschaftswertes. Somit kann der zugewiesene Fertigungsparametersatz an den lokalisierten Einzelwert des mindestens einen Eigenschaftswertes angepasst werden. Der Eigenschaftswert kann beispielsweise ein Grad einer Porosität des Werkstoffs sein, sodass ein Fertigungsparametersatz, der eine Fertigungsgeschwindigkeit aufweist, an die lokale Porosität, die dem lokalen Einzelwert entspricht, entsprechend zugewiesen wird. Somit kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Fertigungsparametersatz stets derart zugewiesen werden, dass dieser auf den jeweiligen lokalisierten Einzelwert in vorteilhafter Weise angepasst ist. Selbstverständlich kann der mindestens eine lokalisierte Einzelwert des mindestens einen Eigenschaftswertes auch mit anderen lokalisierten Einzelwerten innerhalb des Segments oder innerhalb des gesamten Bauteils verglichen werden, und auf der Grundlage dieses Vergleiches kann dann dem Segment ein Fertigungsparametersatz zugewiesen werden.
Weist ein Segment beispielsweise mehrere lokalisierte Einzelwerte bzgl. einer Porosität des Werkstoffes auf, so können diese Porositäten miteinander verglichen werden. Dem Segment wird anschließend ein Fertigungsparametersatz zugewiesen, mit dem beispielsweise die geringste Porosität aller lokalen Einzelwerte des Segments erzeugt wird. Somit kann einem Segment besonders vorteilhaft ein individueller Fertigungsparametersatz zugewiesen und die Baurate entsprechend dem gewünschten Fertigungsergebnis optimiert werden.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines virtuellen Bauteilmodells gemäß Verfahrensschritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 2 ein topologieoptimiertes Bauteilmodell, nachdem die Eigenschaften des virtuellen Bauteilmodells gemäß Schritt b) analysiert worden sind und
Figur 3 ein zwei Segmente aufweisendes virtuelles Bauteilmodell in der Draufsicht, Figur 4 ein virtuelles topologieoptimiertes Bauteilmodell mit einer Netzstruktur mit einer Mehrzahl von Netzelementen und Knoten,
Figur 5 eine schematische Darstellung zweier Segmente mit eindeutig zugeordneten Netzelementen,
Figur 6 eine schematische Darstellung zweier Segmente mit in Teilnetzelemente aufgeteilten Netzelementen und
Figur 7 eine schematische Darstellung zweier Segmente, die räumlich durch als Lücke dargestellte Netzelemente voneinander getrennt sind.
In Figur 1 ist ein virtuelles Bauteilmodell 1 schematisch dargestellt. Das dargestellte virtuelle Bauteilmodell 1 ist als ein dreidimensionales Bauteilmodell bzw. Volumenmodell dargestellt, das beispielsweise mit einem 3D-Scan des realen Bauteils oder mit Hilfe einer CAD-Software erstellt worden ist. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafterweise mit auf dem Markt verfügbarer Software verwendet werden.
In Figur 2 ist das dreidimensionale virtuelle Bauteilmodell gemäß Figur 1 dargestellt, welches eine topologieoptimierte Form aufweist. Eine derartige topologieoptimierte Form des virtuellen Bauteilmodell 1 kann nach der Analyse der Eigenschaften des virtuellen Bauteilmodells erzeugt werden. Bei dem in Figur 2 dargestellten topologieoptimierten virtuellen Bauteilmodells ist die Geometrie beispielhaft nach Durchführung einer FE-Simulation bezüglich einer Vergleichsspannungen angepasst worden. Durch die Analyse der Vergleichsspannung, wobei die Vergleichsspannung eine Eigenschaft des virtuellen Bauteilmodells darstellt, ist bekannt, in welchen Bereichen die Geometrie des späteren Bauteils beispielsweise aufgrund erwarteter hoher lokaler Spannungen verstärkt werden muss oder in welchen Bereichen der Geometrie aufgrund erwarteter geringer lokaler Spannungen auf Material verzichtet werden kann. Das Bauteilmodell 1 gemäß Fig. 2 weist somit im Vergleich zu dem Bauteilmodell gemäß Fig. 1 mehrere ausgesparte Bereiche auf. Nach der Analyse der Eigenschaften kann somit in vorteilhafterweise ein Bauteilmodell entstehen, dass durch die Aussparungen über ein verringertes Volumen bei einer gleichzeitig verstärkten Struktur verfügt.
Durch eine Analyse der Eigenschaften des virtuellen Bauteilmodell 1 ist somit die Geometrie des späteren Bauteils in vorteilhafter Weise optimiert und Fertigungsmaterial eingespart worden. Das dargestellte topologieoptimierte Bauteilmodell 1 gemäß Figur 2 wird demnach in kürzerer Fertigungszeit und mit weniger Material gefertigt als die Ausgangsgeometrie gemäß Figur 1. Selbstverständlich kann einer Analyse der Eigenschaften des virtuellen Bauteilmodells auch in Bezug auf weitere Eigenschaften wie beispielsweise thermische oder aerodynamische Eigenschaften erfolgen. Eine Analyse in Bezug auf weitere Eigenschaften kann dabei zu einer anderen Form des topologieoptimierten Bauteilmodells führen, da das Bauteil in Bezug auf mechanische Eigenschaften etwa in anderen Bereichen verstärkt werden muss also in Bezug auf thermische Eigenschaften.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht des virtuellen topologieoptimierten Bauteilmodells 1 gemäß Fig. 2, wobei das virtuelle Bauteilmodell 1 in zwei Segmente 2 unterteilt worden ist. Dabei ist das virtuelle Bauteilmodell 1 anhand der lokalisierten Einzelwerte des mindestens einen Eigenschaftswertes in ein erstes Segment 2a und in ein zweites Segment 2b unterteilt worden. Die Segmente 2a, 2b sind dabei nicht zwangsläufig miteinander verbunden, wie dies beispielhaft aus Figur 3 hervorgeht. Das Unterteilen des virtuellen Bauteilmodells 1 kann vorzugsweise anhand eines Vergleiches mindestens eines Grenzwertes mit einem lokalisierten Einzelwert erfolgen. Ein derartiger Grenzwert kann beispielsweise eine definierte Wanddicke oder Bauteildicke sein, sodass der jeweilige lokalisierte Einzelwert, also die lokale Wanddicke mit dem Grenzwert, also einer definierten Wanddicke verglichen wird. Liegt der lokalisierte Einzelwert der Wanddicke über dem Grenzwert, so wird dieser Bereich beispielsweise dem ersten Segment 2a zugeordnet, liegt der lokalisierte Einzelwert der Wanddicke unter dem definierten Grenzwert, so wird der lokale Bereich dem Segment 2b zugeordnet. In einem weiteren Verfahrensschritt wird dann jedem Segment 2 ein Fertigungsparametersatz zugeordnet, sodass jedes Segment 2 mit einem unterschiedlichen Fertigungsparametersatz gefertigt wird. Da bei dem erfindungsgemäßen additiven Fertigungsverfahren der jeweilige Fertigungsparametersatz die Materialeigenschaften des jeweiligen Segments 2 definiert, werden die Segmente 2 durch die Wahl des jeweiligen Fertigungsparametersatzes mit der gewünschten Qualität gefertigt.
Figur 4 zeigt eine perspektivische Schrägansicht des topologieoptimierten Bauteilmodells 1, mit einer Netzstruktur mit einer Vielzahl von Netzelementen 3 und Knoten 4. Das virtuelle Bauteilmodell 1, das eine Vielzahl von Netzelementen 3 mit mehreren Knoten 4 aufweist, kann beispielsweise bereits im Rahmen der Erstellung des CAD-Modells in Form einer netzbasierten Geometrie erzeugt werden. Eine weitere derartige netzbasierte Geometrie des virtuellen Bauteilmodells 1 kann beispielsweise durch eine FE-Simulation generiert werden.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung zweier Segmente 2a, 2b mit eindeutig zugeordneten Netzelementen 3 sowie mehreren Knoten 4. Die Darstellung gemäß Fig. 5 zeigt das Segment 2a, welches an das Segment 2b angrenzt. Jedes Netzelement 3 weist dabei vier Knoten 4. Dabei sind zur Verdeutlichung die dunkel markierten Netzelemente 3 dem Segment 2a und die hell markierten Netzelemente 3 dem Segment 2b eindeutig zugeordnet. Eine derartige eindeutige Zuordnung der Netzelemente ist besonders vorteilhaft, wenn die lokalisierten Einzelwerte, die den jeweiligen Knoten zugeordnet sind, mit einem Schwellenwert verglichen werden und anhand dieses Vergleichs eine Zuordnung des Netzelementes zu einem Segment 2 erfolgt. Da jedes Netzelement 3 mehrere Knoten 4 aufweist, kann beispielsweise ein Netzelement 3 auch einen Knoten 4 mit einem lokalisierten Eigenschaftswert aufweisen, der über dem Schwellenwert liegt und einen weiteren Knoten 4 mit einem lokalisierten Eigenschaftswert aufweisen, der unterhalb eines Schwellenwertes liegt, sodass das jeweilige Netzelement nicht eindeutig anhand des Vergleichs mit einem Schwellenwert einem Segment 2 zugeordnet werden kann. In diesem Fall ist beispielsweise eine eindeutige Zuordnung der Netzelemente 3 zu einem Segment 2a, 2b besonders vorteilhaft.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung der Segmente 2a, 2b mit eindeutig zugeordneten Netzelementen 3 und einem Netzelement 3, das in zwei Teilnetzelemente 3a, 3b aufgeteilt ist, sowie mit mehreren Knoten 4. Alternativ zu dem in Figur 5 beschriebenen Vorgehen bzgl. der Behandlung von Netzelementen, die an einem Grenzbereich von mehreren Segmenten angeordnet sind, kann ein Netzelement 3 das an einem Grenzbereich angeordnet ist auch durch das manuelle Hinzufügen weiterer Knoten 4a virtuell getrennt werden. Durch das manuelle hinzufügen der weiteren Knoten 4a kann ein Netzelement 3 besonders vorteilhaft geteilt werden, sodass nicht ein ganzes Netzelement 3 einem Segment 2 zugeordnet werden muss, sondern lediglich das entsprechende Teilnetzelement. Somit können die Segmente 2 besonders hochaufgelöst voneinander abgegrenzt werden und eine Fertigung der einzelnen Segmente mit unterschiedlichen Fertigungsparametersätzen kann hochaufgelöst getrennt voneinander erfolgen.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung zweier Netzelemente 3 aufweisende Segmente 2a, 2b, die räumlich voneinander getrennt sind und lediglich durch zwei als jeweils eine Lücke 5 ausgestaltete Netzelemente miteinander verbunden sind. Grundsätzlich wird zwar angestrebt ein Bauteilmodell zu verwenden, das keine Lücken aufweist, es kann jedoch vorteilhaft sein, einzelne Segmente 2a, 2b lediglich durch Netzelemente die als Lücke 5 ausgebildet sind, voneinander zu separieren. Auf diese Weise können einzelne Segmente 2a, 2b maximal nah beieinander angeordnet sein, ohne jedoch über eine gemeinsame Grenze zu verfügen. Die einzelnen Segmente 2a, 2b denen erfindungsgemäß jeweils ein Fertigungsparametersatz zugewiesen wird, können somit wie ein eigenständiges Bauteil gefertigt werden. Durch eine derartige Trennung oder Beabstandung der einzelnen Segmente 2a, 2b wird das additive Fertigungsverfahren somit in vorteilhafter Weise durchgeführt.
Bezuaszeichenliste Bauteilmodell Segment a erstes Segment b zweites Segment Netzelement a erstes Teilnetzelement b zweites Teilnetzelement Knoten a weiterer Knoten Lücke

Claims

Patentansprüche
1. Computerimplementiertes Verfahren zur Optimierung einer additiven Fertigung eines Bauteils mit den folgenden Schritten: a) Erstellen eines virtuellen Bauteilmodells (1), b) Analysieren der Eigenschaften des virtuellen Bauteilmodells (1) zum Erhalt mindestens eines Eigenschaftswertes umfassend eine Mehrzahl lokalisierter Einzelwerte, c) Unterteilen des virtuellen Bauteilmodells (1) in mindestens zwei Segmente (2) anhand der lokalisierten Einzelwerte des mindestens einen Eigenschaftswertes, d) Zuweisen eines Fertigungsparametersatzes einer Mehrzahl von Fertigungsparametersätzen zu jedem Segment (2) des virtuellen Bauteilmodells (1) zum Erhalt eines Fertigungsmodells, e) Umsetzen des Fertigungsmodells in eine Maschinendatei zur Fertigung des Bauteils, und f) Fertigen des Bauteils mit einer Vorrichtung zur additiven Bauteilfertigung unter Verwendung der Maschinendatei.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt c) der Schritt des Unterteilens anhand eines Vergleiches mindestens eines Grenzwertes mit dem lokalisierten Einzelwert erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Schritt a) nach dem Erstellen das virtuelle Bauteilmodell (1) in eine Mehrzahl von Netzelementen (3) unterteilt wird, wobei jedes Netzelement (3) mindestens einen Knoten (4) aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei im Schritt b) die Analyse der Eigenschaften zum Erhalt der lokalisierten Einzelwerte knotenbezogen erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei im Schritt c) die Knoten (4) zu einem Segment (2) anhand eines Vergleichs des lokalisierten Einzelwertes mit mindestens einem Schwellenwert zugeordnet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Netzelemente (3), die an einem Grenzbereich von Segmenten (2) angeordnet sind in mindestens zwei Teilnetzelemente (3a, 3b) aufgeteilt werden, welche den jeweils angrenzenden Segmenten (2) zugeordnet werden oder die Netzelemente (3) einem der angrenzenden Segmente (2) zugeordnet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Analysieren der Eigenschaften durch Simulation und/oder durch Daten über eine Belastung und/oder durch Messungen an einem realen Bauteilmodell erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im Schritt e) bei der Umsetzung des Fertigungsmodells in die Maschinendatei das Fertigungsmodell in Schichten unterteilt wird.
9 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Bauteilmodell (1) durch ein dreidimensionales Bauteilmodell gebildet ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das dreidimensionale Bauteilmodell ein CAD/CAM-Modell oder ein 3D-Scan des realen Bauteils ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Bauteilmodell wenigstens eine Materialeigenschaft des Bauteils umfasst.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren nach dem Schritt f) den weiteren Verfahrensschritt g) umfasst: Überprüfen des gefertigten Bauteils durch ein Validierungsverfahren.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Überprüfen mittels einer Reso- nanzanalyse erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Maschinendatei einen G-Code enthält.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Zuweisen eines Fertigungsparametersatz zu dem Segment im Schritt d) auf der Grundlage mindestens eines lokalisierten Einzelwertes mindestens eines Eigenschaftswertes erfolgt.
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