WO2018228919A1 - Vorrichtung und ein verfahren für den lagenweisen additiven materialaufbau - Google Patents

Vorrichtung und ein verfahren für den lagenweisen additiven materialaufbau Download PDF

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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the layer-wise, additive, three-dimensional material structure for the production of components made of metal, plastic and / or mixed forms with a print head.
  • the 3D print is a generative one
  • 3D printing is selective laser melting and electron beam melting for metals and selective laser sintering for polymers, ceramics and metals, stereolithography and digital light processing for liquid synthetic resins and polyjet modeling.
  • 3D printing for example, three-dimensional workpieces are built up in layers.
  • the structure is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to predetermined dimensions and shapes (CAD).
  • CAD dimensions and shapes
  • Typical materials for 3D printing are plastics, synthetic resins, ceramics and metals.
  • FDM fused deposition modeling
  • a starting material in granular form can be supplied with a screw conveyor to a heated zone, from which it emerges in plasticized form.
  • a screw conveyor to a heated zone, from which it emerges in plasticized form.
  • thermoplastic materials are produced.
  • WAAM Wire Are Additive Manufacturing
  • An arc welding process is used to build up the component in layers.
  • a metal wire is made using a
  • a 3D printing method for producing molds for the production of castings from metal is known, for example, from WO 2016/019937 A1.
  • 300 * 300 * 300mm 3 are preferably produced in laser supported sintering processes (Selective Laser Melting SLS or Selective Laser Melting SLM) in powder beds;
  • the invention has for its object to provide a way to provide a device and a method, with the unwanted geometry deviations can be largely avoided.
  • a change system is used to change the additive
  • Manufacturing process by changing the printhead and / or other useful for performing the manufacturing process sensors, in particular for the measurement of geometric data of the component in the production, local temperatures and / or other parameters as well as for the utilization of cutting
  • Fig. 1 is a schematic machine structure
  • Fig. 2 the principle of a layered structure
  • Fig. 3 is a magazine
  • Fig. 5 is a build-up strategy
  • Fig. 6 is a schematic diagram of a printhead FDM
  • Fig. 7 is a schematic representation of a printhead WAAM.
  • the method is used to produce components which are constructed in layers (FIG. 2) by means of a device (FIG. 1) with a movement system (1).
  • a device FIG. 1 with a movement system (1).
  • Wires / filaments (13) made of metal or plastic, which are then placed plasticized or molten layer by layer on a mounting plate (3) on top of each other. The sum of the layers then yields a component (4).
  • Different print heads (FIGS. 6 and 7) and other tools can be fastened to the motion system (1) via a change system (8) and then execute the corresponding method, either FDM, LA, WAAM or the operations milling, drilling, grinding or Geometry or temperature measurement off.
  • the geometry is detected on the component (4).
  • the geometry measurement with a moving or stationary geometry measuring sensor (10) is by means of a
  • the next step is the query for the sign of the difference (FIG. 4). If this is negative, there is too much material on parts of the last layer and there is locally a subtractive correction by grinding, drilling or milling to correct the unwanted material accumulations. If the difference between the setpoint minus the actual value (of height and width) results in the difference having a positive sign, this means that material is missing at the corresponding points. If this is detected, a local material order will be executed. Subsequently, the result is rechecked by re-measuring and running the decision algorithm and another correction run. This repeats until the geometry measurement measures actual values that are within the permitted dimensional deviations / tolerances. Is this state reached, the spatially resolved measurement of the component temperatures takes place on its surface in previously determined sectors.
  • the design strategy is recalculated to schedule the seam sequence for the following layer so that first the areas where minimum temperatures prevailed at the time of temperature detection are welded on.
  • the criterion of the "sequence of ascending temperatures of the measured component surface" comes into play and by means of a
  • the seam of the next layer is automatically calculated so that in the coldest areas of the component surface is applied in order of increasing temperatures (Fiq.4).
  • the component surface can be divided into sectors (FIG. 5). Then in the sectors the mean surface temperatures in the sectors.
  • Sectors with a sensor (6) for temperature measurement measured eg with a thermocamera or with a pyrometer
  • the coldest sector is then built first, then the second coldest and so on.
  • a path-optimized strategy can be applied.
  • the sector size can be chosen freely. The larger the sector, the faster the setup, but the component also becomes less accurate. The smaller the sector, the more accurate the component becomes, the slower the build-up will be.
  • heating / cooling under the mounting plate (3) and heating or cooling elements 16 for example by heat sources (eg IR emitters, hot air blower, gas burner or other) and cooling systems (eg Liquid nozzles, blower and other) on the printhead (2) influence on the local temperatures on the component (4) are taken.
  • heat sources eg IR emitters, hot air blower, gas burner or other
  • cooling systems eg Liquid nozzles, blower and other
  • LA LA
  • WAAM WAAM
  • FDM FDM
  • Frame with motion system (1) which is at least three mutually perpendicular
  • the movement system (1) can be used as a Cartesian xyz system, as
  • Knickarmroboter be configured as a hexahedral or tetrapod or as a completely different system, as long as it allows a layer-building strategy.
  • a mounting plate changing system (8) that makes a quick changeover from one
  • Heating and cooling systems for component temperature control firmly on the exchange system (8) and the mounting plate (3).
  • Temperatures of the component to be produced for example as a thermal camera or
  • the device has process-specific pusher heads (2, 17, 19) with
  • the energy sources for the three methods are completely different and are placed next to the frame, for example a generator (12).
  • the supply lines from the power sources to the exchange system (8) are at
  • Movement system (1) firmly adapted.
  • a universal plug allows the automatic
  • Various sensors (10) can be used to record the component geometry: either global - fixed or local - z. B. as a moving measuring sensors (10). The same applies to the thermal sensors (6). Thermal cameras have proven to be particularly efficient and sufficiently accurate with which a single measurement can be used
  • the corresponding print head (2, 17, 19) consisting of process head - metal shield gas burner for WAAM (19), laser head with wire feed for LA or extruder with filament nozzle for FDM (17) - and holder with changing system / Coupling with the fastening element (14) from the movement system (1) from the magazine (7)

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Abstract

Eine Vorrichtung und ein Verfahren für den lagenweisen, additiven, dreidimensionalen Materialaufbau für die Herstellung von Bauteilen (4) aus Metall, Kunststoff und/oder Mischformen mit einem Druckkopf (2) wobei unterschiedliche additive Verfahren wie das Fused Deposition Modeling FDM, das Wire and Arc Additive Manufacturing WAAM sowie das Laser Auftragsschweißen sowie subtraktive spanende Prozesse, wie das Fräsen, Bohren und Schleifen in einer Aufspannung eingesetzt werden. Die Vorrichtung ist dabei so ausgeführt, dass ein Wechselsystem (8) am Bewegungssystem (1) ein schnelles Wechseln von Verfahrensspezifischen Druckköpfen (2, 17, 18, 19, 20) und weiteren Systemen für weitere, bei der Herstellung des Bauteils notwendigen Prozesse wie Messsensoren (6), die durch das Bewegungssystem (1) über das Bauteil geführt werden oder die spanenden Geräte. Das Verfahren sieht bei der Herstellung der Bauteile nach jeder x-ten Lage eine Messung der ortsaufgelösten Oberflächentemperaturen mittels eines Temperatursensors in festgelegten Bauteilsektoren vor, deren sektorbezogene Mittelwerte zur Festlegung der weiteren Aufbaureihenfolge zur Hilfe genommen werden. Ein Algorithmus sortiert die Sektoren nach aufsteigenden Temperaturmittelwerten. Beginnend mit dem Sektor der geringsten mittleren Temperatur werden nach aufsteigender Temperatur die einzelnen Sektoren je Lage aufgebaut. Der Ablauf kann nach jeder beliebigen Lage wiederholt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit ebenfalls in der abgeschlossenen Lage die Nahtgeometriemaße wie Höhe und Breite zu messen und mit einem Sollwert zu vergleichen und ggf. mittels spanender Bearbeitung oder lokalem Aufbau zu korrigieren.

Description

Vorrichtung und ein Verfahren für den lagenweisen additiven Material auf bau
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für den lagenweisen, additiven, dreidimensionalen Materialaufbau für die Herstellung von Bauteilen aus Metall, Kunststoff und/oder Mischformen mit einem Druckkopf.
Mit einem solchen auch als 3D -Druckverfahren bezeichneten Verfahren lassen sich Bauteile aus unterschiedlichen Materialien herstellen. Der 3D -Druck ist ein generatives
beziehungsweise additives Fertigungsverfahren. Die wichtigsten Techniken des 3D - Druckens sind das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen für Metalle und das selektive Lasersintern für Polymere, Keramik und Metalle, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für flüssige Kunstharze und das Polyjet-Modeling.
Beim 3D -Drucken werden beispielsweise dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufgebaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D -Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle.
Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist das sogenannte "fused deposition modeling" (FDM), bei dem ein Filament aus dem Ausgangsmaterial in einer elektrisch beheizten Extruderdüse aufgeschmolzen und schichtweise auf eine Plattform aufgebracht wird.
Anstelle eines Filaments kann entsprechend der US 2016/082 627 A1 ein Ausgangsmaterial in Granulatform mit einer Förderschnecke einer beheizten Zone zugeführt werden, aus der es in plastifizierter Form austritt. Dabei können Mischungen aus verschiedenen
thermoplastischen Materialien hergestellt werden. Beim "Wire Are Additive Manufacturing" (WAAM) wird ein Lichtbogenschweißverfahren zum schichtweisen Aufbau des Bauteils eingesetzt. Ein Metalldraht wird mithilfe eines
Schweißbrenners an der richtigen Stelle verschmolzen und formt so das gewünschte Rohteil. Das fertig aufgebaute Bauteil wird anschließend durch CNC-Verfahren nachbearbeitet.
Weiterhin wird beispielsweise in der EP 0 431 924 B1 ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte beschrieben. Dabei werden lose Partikel in einer dünnen Schicht auf eine Aufbau plattform aufgetragen. Die losen Partikel werden gemäß einem
vorgegebenen Programm selektiv verfestigt.
Ein 3D -Druckverfahren zur Herstellung von Formen zur Herstellung von Gussteilen aus Metall ist beispielsweise aus der WO 2016/019937 A1 bekannt.
Additive Verfahren bieten im Hinblick auf Fertigungszeiten und minimale Losgrößen erhebliche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Durch das lagenweise
Aufbauen einer Struktur auf einer Basisplatte lassen sich Kunststoffbauteile ebenso wie Metallgeometrien herstellen. Infolge eines großen öffentlichen Interesses treten immer mehr Verfahren in den Wettbewerb. Feingliedrige Strukturen in kleinen Baugrößen bis
300*300*300mm3 werden vorzugsweise in Laser gestützten Sinterprozessen (Selektives Laser Schmelzen SLS oder Selektives Laser Schmelzen SLM) in Pulverbetten erzeugt;
einem sehr präzisen Verfahren mit hoher Teilequalität aber hohen Herstellkosten.
Größere Bauteile werden abweichend von dieser Technologie zumeist mit aufschmelzenden Drähten/Filamenten per thermischem Auftragsprozess als Fused Deposition Modelling (FDM, nur Kunststoffe, zum Teil mit Metallpulveranteil) oder Laser-/Lichtbogen- Auftragsschweißprozess (Laser: LA/ Lichtbogen: Wire Are Additive Manufacturing WAAM- nur Metalle) hergestellt.
Bei allen drei Verfahren ist es sinnvoll bei der Verarbeitung empfindlicher Werkstoffe und zur Vermeidung von Verzügen und Bindefehlern sowie dem Erzielen erwünschter mechanisch technologischer Eigenschaften den Arbeitsraum zu beheizen oder zu kühlen. Meist ist die Anforderung„Heizen" gegeben. Hierbei können Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius vorteilhaft sein.
Bei der„normalen" lagenweisen Aufbaustrategie wird eine Aufbaufolge ausgeführt, bei der die Strategie„kürzester Weg" oder„schnellste Aufbaurate" verfolgt wird. Dies kann dazu führen, dass insbesondere bei metallischen Aufbau prozessen mit einem Lichtbogen oder einem Laserstrahl eine ungünstige Temperaturverteilung im Bauteil vorliegt, die zu lokalen Spannungen, Deformationen und Abkühlzyklen führen können, die zu ungünstigen
Gefügestrukturen sowie zu fehlerhaften Geometrien führen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem unerwünschte Geometrieabweichungen weitgehend vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß dient ein Wechselsystem für den Wechsel des additiven
Herstellungsverfahrens durch den Wechsel des Druckkopfes und/oder anderer für die Durchführung des Herstellverfahrens hilfreicher Sensoren, insbesondere für die Messung von Geometriedaten des in der Herstellung befindlichen Bauteils, lokaler Temperaturen und/oder sonstiger Parameter sowie für die Nutzbarmachung von spanenden
Bearbeitungsgeräten zur mechanischen Bearbeitung während oder nach dem
Aufbauprozess des Materialaufbaus. Die Erfindung nimmt dieses Problem zum Anlass durch die lagenweise Vermessung der örtlichen Bauteiltemperaturen sowie der lokalen
Geometrieabweichungen Korrekturen an der Geometrie und dem Prozess, hier speziell der Aufbaustrategie vorzunehmen.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Fig. 1 einen schematischen Maschinenaufbau; Fig. 2 das Prinzip eines lagenweisen Aufbaus; Fig. 3 ein Magazin;
Fig. 4 einen Verfahrensablauf der beiden Korrekturstrategien; Fig. 5 eine Aufbaufolge-Strategie;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Druckkopfs FDM; Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Druckkopfs WAAM.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden nachstehend anhand der Figuren 1 bis 7 näher erläutert.
Das Verfahren dient der Herstellung von Bauteilen, die mittels einer Vorrichtung (Fig. 1 ) mit einem Bewegungssystem (1 ) lagenweise (Fig. 2) aufgebaut werden. Mindestens eine thermische Quelle, die durch einen Generator (12) gespeist wird, der die für den Prozess erforderliche Prozessenergie bereitstellt (Schweißstromquelle, Laser, Extruderversorgung), hier als Druckkopf (1 ) bezeichnet, erwärmt dabei mindestens einen oder mehrere
Drähte/Filamente (13) aus Metall oder Kunststoff, die dann plastifiziert oder schmelzflüssig lagenweise auf einer Aufbauplatte (3) übereinander abgelegt werden. Die Summe der Lagen ergibt dann ein Bauteil (4).
Unterschiedliche Druckköpfe (Fig. 6 und 7) und andere Werkzeuge können dabei über ein Wechselsystem (8) an dem Bewegungssystem (1 ) befestigt werden und führen dann das entsprechende Verfahren, entweder FDM, LA, WAAM oder die Operationen Fräsen, Bohren, Schleifen oder Geometrie- bzw. Temperaturmessung aus.
Nach jeder x-ten Lage (wobei x eine Wert zwischen 1 und Unendlich annehmen kann) erfolgt eine Erfassung der Geometrie am Bauteil (4). Nach der Geometrievermessung mit einem mitfahrenden oder ortsfesten Geometriemesssensor (10) wird mittels eines
Computeralgorithmus ein Vergleich zu den geplanten und in einem CAD-Model hinterlegten Sollgeometriedaten gezogen.
Sollte die Differenz von Soll-Daten zu Ist-Daten (Messwerte) aus der Messung größer, als die festgelegten Maßabweichungen/Toleranzen für den Prozess sein, erfolgt als nächstes die Abfrage nach dem Vorzeichen der Differenz (Fig.4). Ist dieses negativ, befindet sich zu viel Material auf Teilen der letzten Lage und es erfolgt lokal eine subtraktive Korrektur durch Schleifen, Bohren oder Fräsen um die ungewollten Materialanhäufungen zu korrigieren. Sollte die Differenzbildung Sollwert abzüglich Istwert (von Höhe und Breite) zum Ergebnis haben, dass die Differenz ein positives Vorzeichen aufweist, bedeutet dies, dass an den entsprechenden Stellen Material fehlt. Sollte dies festgestellt werden, wird ein, lokaler Materialauftrag ausgeführt. Anschließend erfolgt eine erneute Überprüfung des Ergebnisses durch erneutes Messen und Durchlauf des Entscheidungsalgorithmus und einem weiteren Korrekturdurchlauf. Dies wiederholt sich, bis die Geometriemessung Istwerte misst, die innerhalb der erlaubten Maßabweichungen/Toleranzen liegen. Ist dieser Zustand erreicht, erfolgt die ortsaufgelöste Messung der Bauteiltemperaturen an seiner Oberfläche in vorher bestimmten Sektoren.
Anhand der gemessenen Temperaturverteilung der mittleren Temperaturen (Fig. 5) in den Sektoren erfolgt eine Neuberechnung der Aufbaustrategie dahingehend, dass für die folgende Lage die Nahtfolge so geplant wird, dass zunächst die Bereiche aufgeschweißt werden, bei denen minimale Temperaturen zum Zeitpunkt der Temperaturerfassung vorherrschten. Es kommt dabei das Kriterium der„Aufbaureihenfolge nach aufsteigenden Temperaturen der gemessenen Bauteiloberfläche" zum Tragen und mittels eines
Algorithmus wird die Nahtfolge der nächsten Lage automatisch so berechnet, dass in den kältesten Bereichen der Bauteiloberfläche in der Reihenfolge ansteigender Temperaturen aufgetragen wird (Fiq.4).
Um die Verfahrwege zu optimieren kann die Bauteiloberfläche in Sektoren aufgeteilt werden (Fig.5). Dann werden in den Sektoren die mittleren Oberflächentemperaturen in den
Sektoren mit einem Sensor (6) für die Temperaturmessung gemessen (z. b. mit einer Thermokamera oder mit einem Pyrometer) und nach aufsteigendem Wert sortiert. Der kälteste Sektor wird dann zuerst aufgebaut, dann der zweit kälteste und so weiter. Innerhalb der Sektoren kann eine wegoptimierte Strategie angewendet werden. Die Sektorgröße kann dabei frei gewählt werden. Je größer der Sektor, desto schneller erfolgt der Aufbau, allerdings wird das Bauteil auch ungenauer. Je kleiner der Sektor, desto genauer wird das Bauteil, desto langsamer erfolgt allerdings auch der Aufbau. Zusätzlich kann lokal durch eine Tischheizung/-kühlung unter der Aufbauplatte (3) und Heiz- oder Kühlelemente 16, beispielsweise durch Wärmequellen (z. B. IR-Strahler, Heißluftgebläse, Gasbrenner oder anderes) und Kühlsysteme (z. B. Gas- und Flüssigkeitsdüsen, Gebläse und anders) am Druckkopf (2) Einfluss auf die lokalen Temperaturen am Bauteil (4) genommen werden.
Es erfolgt ein weiterer lagenweiser Aufbau, bis zu der als nächste Überprüfungslage definierten Lage, bei der sich das Prozedere wiederholt und zunächst die Ist-Geometrie mit der Soll-Geometrie abgeglichen wird und gegebenenfalls per Fräsen/Schleifen oder lokalem Aufbauen korrigiert wird, bis eine zulässige Genauigkeit der Bauteilmaße erreicht ist. Danach erfolgt wieder eine Bestimmung des Temperaturfeldes an der Oberfläche des Bauteils (4) und die Anpassung der Temperaturführung durch die Festlegung der Nahtfolge als Funktion der Zeit und des Ortes sowie den Einsatz von zusätzlichen Wärme- oder Kältequellen zur Optimierung des Aufbauprozesses. Es kann auch sinnvoll sein nicht bei jeder Überprüfungslage die Geometrie zu messen, auszuwerten und zu korrigieren sondern nur die Temperaturmessung mit anschließender Neufestlegung der Aufbaufolge durchzuführen. Beide Messungen und daraus resultierenden Messungen (Geometrie und Temperatur) können auch völlig unabhängig ausgeführt werden.
Grundsätzlich sind die drei angewendeten Verfahren LA, WAAM, FDM in ihrem
Grundaufbauprinzip gleich: Auf einer Aufbauplatte (3) wird lagenweise Material aufgebaut. Durch das Abschmelzen des drahtförmigen Werkstoffes in Folge einer Erwärmung durch eine geeignete Wärmequelle entsteht hierdurch eine dreidimensionale geometrische
Struktur. Hieraus leiten sich die grundlegenden konstruktiven Merkmale der Vorrichtung ab:
1 . Rahmen mit Bewegungssystem (1 ), das zumindest drei aufeinander senkrecht
stehende Freiheitsgrade erlaubt.
2. Das Bewegungssystem (1 ) kann dabei als kartesisches xyz-System, als
Knickarmroboter, als Hexa- oder Tetrapode oder als gänzlich anderes System ausgestaltet sein, solange es eine lagenweise Aufbaustrategie ermöglicht.
Zusatzachsen sind optional möglich.
3. Ein Wechselsystem (8) am Bewegungssystem (1 ) mit einem Magazin (7) an der Grundstruktur zur Aufnahme des jeweiligen 3D-Druckkopfes (2) für das FDM-, WAAM- oder LA-Verfahren sowie Systeme für die Prozesse Bohren, Schleifen, Fräsen, Messen von Temperatur und Geometrie..
4. Ein Aufbauplatten-Wechselsystem (8), dass eine schnelle Umstellung von einem
Bauteil (4) zum Anderen sowie einen Verfahrenswechsel zulässt.
5. Heiz- und Kühlsysteme (Heiz-oder Kühlelement 16) zur Bauteiltemperierung fest am Wechselsystem (8) und der Aufbauplatte (3).
6. Ein fest montiertes und damit mitgehendes Thermoschild (1 1 ) zwischen Roboter und Wechselsystem (8), ausgestattet mit einem Lüfter, der parallel zum Thermoschild
(1 1 ) einen Frischluftstrom zur Schaffung einer Sperrschicht aus kalter Luft unterhalb des Thermoschildes (1 1 ) schafft.
7. Eine ebene oder der Bauteilunterfläche angepasste Aufbauplatte (3) mit der
Möglichkeit diese zu wärmen oder zu kühlen.
8. Ein oder mehrere Sensoren (6) zur Erfassung der Wärmeverteilung sowie der
Temperaturen des herzustellenden Bauteils bspw. als Thermokamera oder
Pyrometer
9. Ein oder mehrere Sensoren (10) zur Erfassung der Bauteilgeometrie
10. Steuerung (5)
1 1. Schutzgehäuse um den Rahmen
12. Abluft und Zuluftsysteme Der Wechsel von einem Verfahren zum anderen setzt eine andere Prozesstechnik in Form der Druckköpfe (2, 17, 19) und der Fräs-, Bohr und Schleifgeräte (9) voraus. Diese Systeme sind jeweils mit einem als Adapter ausgeführten Befestigungselement (14) ausgestattet, das eine einfache Befestigung am Wechselsystem (8) des Bewegungssystems (1 ) erlaubt.
Die jeweilige für die Herstellung eines spezifischen Bauteils (4) benötigte Prozesstechnik wird auf der wechselbaren Aufbauplatte (3) in einem Magazin (7) bereitgestellt und ist damit sehr schnell wechselbar. Dies betrifft alle für den Aufbau notwendigen Einrichtungen.
Die Vorrichtung verfügt über verfahrensspezifische Drückköpfe (2, 17, 19) mit
Befestigungselementen (14) für das Wechselsystem (8) für die Verfahren:
1. Fused Deposition Modelling FDM - Extruder (18) für das Aufschmelzen von
Kunststoffdraht (Filament) mit einem FDM-Druckkopf (17)
2. Wire and Are Additive Manufacturing WAAM- Lichtbogengestütztes
Auftragsschweißen mit Metalldraht mit einem WAAM-Druckkopf (19)
3. Laser Auftragsschweißen - Lasergestütztes Auftragsschweißen mit Metalldraht sowie für die Prozesse:
4. Bohren, Fräsen und Schleifen (9)
5. Optional Geometriemessung (10)
6. Optional Temperaturmessung
Die Energiequellen für die drei Verfahren sind gänzlich verschieden und werden neben dem Rahmen aufgestellt, beispielsweise ein Generator (12).
Die Versorgungsleitungen von den Energiequellen zum Wechselsystem (8) sind am
Bewegungssystem (1 ) fest adaptiert. Ein Universalstecker erlaubt die automatische
Verbindung der Druckköpfe (2) mit den Versorgungsleitungen.
Für die Erfassung der Bauteilgeometrie können verschiedene Sensoren (10) eingesetzt werden: entweder global - feststehend oder lokal - z. B. als mitfahrende Messsensoren (10). Gleiches gilt für die Thermosensoren (6). Besonders effizient und hinreichend genau haben sich hier Thermokameras erwiesen, mit denen mit einer einzigen Messung eine
ortsaufgelöste Erfassung der Oberflächentemperaturen möglich ist. Diese können dann mittels einer Auswertesoftware aufbereitet und dem Algorithmus zur Festlegung der Nahtfolge zugeführt werden, so dass eine Temperatur optimierte Nahtführung ermöglicht wird, um unnötige Temperaturunterschiede im Bauteil (4) zu verhindern. Je nach gewähltem Verfahren wird der entsprechende Druckkopf (2, 17, 19) bestehend aus Prozesskopf - Metall-Schutzgas-Brenner für WAAM (19), Laserkopf mit Drahtzufuhr für LA oder Extruder mit Filamentdüse für FDM (17) - und Halter mit Wechselsystem/-Kupplung mit dem Befestigungselement (14) vom Bewegungssystem (1 ) aus dem Magazin (7)
selbstständig entnommen und gemäß dem von der Steuerung (5) vorgegebenen
Verfahrensablauf (Fig. 4) zum Aufbau eines Bauteils (4) eingesetzt.
BEZUGSZEICHENLISTE Bewegungssystem 16 Heiz- oder Kuhlelement Druckkopf 17 FDM-Druckkopf
Aufbau platte 18 FDM-Extruder
Bauteil 19 WAAM-Druckkopf
20 WAAM-Metall-Schutzgas- Steuerung
Schweißbrenner Sensor
Magazin
Wechselsystem
Fräser, Bohrer, Schleifer
Sensor Thermoschild
Generator
Draht / Filament
Befestigungselement
Draht- oder Filamentrolle

Claims

PATE N TAN SP RÜ C H E
1. Vorrichtung für den lagenweisen, additiven, dreidimensionalen Materialaufbau für die Herstellung von Bauteilen aus Metall, Kunststoff und/oder Mischformen mit einem Druckkopf, gekennzeichnet durch ein Wechselsystem (8) für den Wechsel des additiven
Herstellungsverfahrens durch den Wechsel des Druckkopfes (2) und/oder anderer für die Durchführung des Herstellverfahrens hilfreicher Sensoren, insbesondere für die Messung von Geometriedaten (10) des in der Herstellung befindlichen Bauteils (4), lokaler
Temperaturen (6) und/oder sonstiger Parameter sowie für die Nutzbarmachung von spanenden Bearbeitungsgeräten (9) zur mechanischen Bearbeitung während oder nach dem Aufbauprozess des Materialaufbaus.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung über ein Bewegungssystem (1 ) verfügt, das ein zur Oberfläche einer Aufbauplatte (3) paralleles, lagenweises Aufbauen des Bauteils erlaubt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Werkzeugwechselsystem (8) an einer Werkzeugaufnahmefläche des Bewegungssystems zur Aufnahme unterschiedlicher Druckköpfe (2), Bearbeitungswerkzeuge (9) und/oder Sensoren (6, 10) aufweist.
4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Sensoren zur Erfassung der Geometrie (10) sowie der ortsgenauen Oberflächentemperaturen (6) aufweist, deren Signale von einer Steuerung (5) ausgewertet werden und einem Programmablauf folgend Prozessschritte zur
geometrischen Korrektur durch Auftragen oder Abtragen sowie eine Planung des
Verfahrweges des Druckkopfes (2) und somit der Auftragsreihenfolge berechnet und
Bewegungsbefehle zur Steuerung der Maschine bestimmt werden.
5. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druckköpfe (2) als Schweißbrenner (19, 20), Extruder (17, 18) , Laseroptik und/oder mit einer Zusatzwerkstoffzufuhr oder Kombinationen davon, für die Ausführung unterschiedlicher additiver Fertigungsverfahren, wie insbesondere das Fused Deposition Modelling FDM, das lichtbogengestützte Wire and Are Additive Manufacturing WAAM sowie das generative Laser Auftragsschweißen LA ausgeführt sind und über ein zum Werkzeugwechselsystem (8) passendes Befestigungselement (14) verfügen.
6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungssystem als kartesisches xyz-System, als
Knickarmroboter, als Hexa- oder Tetrapode ausgestaltet ist, solange es eine lagenweise Aufbaustrategie ermöglicht.
7. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungssystem mit Zusatzachsen ausgestattet ist. .
8. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbauplatte (8) lösbar in der Vorrichtung (1 ) befestigt ist, so dass eine schnelle Umstellung von einem Bauteil zum Anderen sowie von einem Verfahren zum Anderen möglich ist und auf der wechselbaren Aufbauplatte die benötigten Druckköpfe (2) sowie andere benötigte Werkzeuge, wie insbesondere Fräs- und Bohrgeräte 9, und Sensoren zur Bestimmung von Maßen (10) und Temperaturen (6) in einem fest auf der Aufbauplatte angeordneten Magazin (7) gelagert werden, bis sie zum Einsatz kommen.
9. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung, insbesondere Infrarot- Wärmestrahler, elektrische Heizplatten und -elemente, gasbeheizte Heizkörper
Peltierelemente, Lüfter und Düsen zur Benetzung mit kühlenden Gasen und Flüssigkeiten, zur Bauteiltemperierung (16) an dem Wechselsystem (8) und/oder der Aufbauplatte (3) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mit einem insbesondere parallel zu der Aufbauplatte am Bewegungssystem montierten und/oder gemeinsam mit diesem beweglichen flächigen Thermoschild (1 1 ) aus Metall und/oder Keramik ausgestattet ist.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermoschild (1 1 ) mit einem Lüfter ausgestattet ist, durch den parallel zu dem Thermoschild ein Frischluftstrom zur Schaffung einer Sperrschicht aus kalter Luft unterhalb des Thermoschildes zuführbar ist.
12. Verfahren für den lagenweisen, additiven, dreidimensionalen Materialaufbau mit unterschiedlichen für den lagenweisen, additiven, dreidimensionalen Materialaufbau für die Herstellung von Bauteilen aus Metall, Kunststoff und/oder Mischformen mit einem Druckkopf, zur Anwendung bei der Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Wechselsystems (8) für den Wechsel des additiven Herstellungsverfahrens der Druckkopf (2) und/oder für die Durchführung des Verfahrens hilfreiche Sensoren, insbesondere für die Messung von Geometriedaten (10) des in der Herstellung befindlichen Bauteils (4), lokaler Temperaturen (6) und/oder sonstiger Parameter sowie Bearbeitungsgeräte (9) zur mechanischen Bearbeitung während oder nach dem Aufbauprozess des Materialaufbaus gewechselt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine wiederkehrende Messung der, aus dem Aufbauprozess und gegebenenfalls einem Korrekturprozess resultierenden, Oberflächentemperaturen nach einer x-ten Lage (wobei x eine Wert zwischen 1 und Unendlich annehmen kann) zur Korrektur der Aufbaufolge nach der Strategie der Aufbaureihenfolge nach aufsteigenden Temperaturen der gemessenen Bauteiloberfläche eine Steuerung (5) den Verfahrweg des Druckkopfes (2) innerhalb der nächsten Lage oder Lagen so festlegt wird, dass zunächst der Bauteilbereich mit der niedrigsten gemessenen Temperatur aufgetragen wird, danach der zum Zeitpunkt der Messung zweitniedrigste und sofort, bis alle Bereiche derselben Lage aufgetragen sind.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine
wiederkehrende Messung am Ende einer y-ten Lage (wobei y einen Wert zwischen 1 und Unendlich annehmen kann, x kann größer, kleiner oder gleich y sein) der resultierenden Geometrie genutzt wird, um durch Korrektur dieser, die vorgegebene Geometrie zu erreichen; dies kann entweder durch lokale subtraktive spanende Bearbeitung mittels bohren, schleifen oder fräsen oder zwischengeschaltetes lokales Auftragen vor der nächsten Lage erfolgen.
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