WO2019068792A1 - Method for layer-by-layer additive production of three-dimensionally formed components - Google Patents

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WO2019068792A1
WO2019068792A1 PCT/EP2018/076967 EP2018076967W WO2019068792A1 WO 2019068792 A1 WO2019068792 A1 WO 2019068792A1 EP 2018076967 W EP2018076967 W EP 2018076967W WO 2019068792 A1 WO2019068792 A1 WO 2019068792A1
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PCT/EP2018/076967
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Uwe Scheithauer
Steven Weingarten
Eric SCHWARZER
Robert JOHNE
Philipp HORN
Johannes Abel
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes

Definitions

  • the invention relates to a method for layerwise additive production of three-dimensionally formed components. With such methods, components can be manufactured flexibly and with geometries that can not or only with great difficulty be produced with conventional casting methods or processes in which machining is carried out.
  • the invention should not be used in additive processes in which powdered material is applied in layers and then locally defined under the influence of a deflectable energy beam or via the introduction of a binder liquid, a solidification of the material in the respective uppermost layer is performed.
  • These are, for example, selective laser sintering or selective laser melting or 3D powdering (Bender jetting).
  • powdery material or a material of pasty consistency in layers on a construction platform in such a way that the individual layers have different contours, so that a virtually arbitrarily three-dimensionally designed component can be produced.
  • predefined, calculated or from a database related process or process parameters are used, from which the target values for the height of the deposited material emerge or the setpoint values for the height can be calculated.
  • the component can also be a semi-finished product, which has preferably been obtained by a different production method.
  • the respective spatially resolved heights or distances are compared with predetermined target values, so that at a detected deviation, in which too low a height or too large a distance has occurred at a corresponding position additional material is applied before another layer on the surface is applied when the detected deviation (s) exceed a predetermined level.
  • This balancing of deviations can be achieved by a suitable adaptation of
  • Dosage parameters can be achieved.
  • setpoints can either be set or calculated before the construction process or their calculation or determination takes place during the ongoing manufacturing process. However, it is preferred if a deviation from a specification in the case of an order of a layer applied directly following the layer or if a compensation of the deviation when applying a layer is not possible, this compensation in a carried out several successive layers
  • a locally defined adaptation of the process or process parameters can also take place, so that the detected deviation is compensated for by an increased amount of deposited material in this local area during the formation of at least one subsequently to be formed layer
  • the process or process parameters are adjusted at a corresponding position during material application for the subsequent formation of a further layer a smaller amount of material is applied than the amount originally intended for this layer at this locally defined location.
  • the stored process or process parameters are used if non-significant deviations between setpoints and actual values have been detected. An adaptation of process or process parameters can then be omitted.
  • the manufacture of the component can be carried out by a printing process in which at least one print head is moved accordingly, or by laser deposition welding.
  • the surface of the layer can be detected with an optical scanning unit, and the respective heights of the surface or the distances of this layer can be detected in a spatially resolved manner and used for comparison with corresponding heights or distances at the respective positions.
  • a setpoint-actual value comparison can be carried out on the basis of predefined or calculated in the manufacturing process setpoint values and detected thereby deviations from setpoints for corresponding heights or distances new setpoints can be determined in the training by appropriately adapted process or process parameters and the resulting changed amounts of material that are applied in the range of detected deviations in a training at least one subsequent trainee layer, can be considered.
  • a computer program should be designed so that it can make this adjustment, without any intervention, in particular an intervention by an operator, from the outside is required.
  • the CAD model for the respective component as well as distance or height information acquired with at least one sensor can be used and taken into account.
  • Triggering a production order for the order of an additional layer or in a locally defined surface area in which a too large deviation from a predetermined setpoint has been detected, which is only possible with the order of an additional layer. can be the same.
  • Dosing parameters in a database and adaptation of the process model which includes the relationships between Dosierparametern and in particular drop properties.
  • the control can be used on a Cartesian coordinate system and the x, y and z coordinates are used.
  • At least one distance sensor can be used to determine the distance.
  • One or more distance sensor (s) may be arranged during the detection of a respective distance in a plane which is arranged at a constant distance to a plane, which in turn parallel to the surface of the individual layers or parallel to a reference plane, for example Level of a construction platform on which a component is formed in layers, is aligned.
  • distance sensors optical sensors, laser-optical sensors, Hall sensors, radar sensors, sensors for optical interferometry, confocal sensors, sensors for triangulation or sensors for determining transit times can be used.
  • the method for the production of the component can be a printing method in which at least one print head is appropriately positioned by its movement.
  • a material having a pasty consistency for example a polymer or a suspension having a viscosity suitable for printing, can be used to form the individual layers.
  • the solidification can be removed by curing, polymerization, the removal of a solvent, a thermal treatment in the liquid and / or organic components and sintering takes place.
  • the printing can be done by depositing individual drops next to each other or by depositing more or less long strands.
  • the solid contained can be used for layer formation.
  • the production can also be carried out by laser deposition welding, in which pulverulent material is applied locally defined and fused or sintered with the energy of at least one laser beam.
  • the mentioned solidification of the respective layer can also be achieved by drying, in which liquid constituents are sufficiently removed.
  • Polymers can be crosslinked by an energy input or at least partially polymerized. An energy input can be achieved by suitable irradiation.
  • the surface can be detected with an optical scanning unit and, in this case, the position or height of the respective heights or distances of the surface can be detected in a spatially resolved manner and used for comparison with corresponding heights or distances at the respective positions.
  • a distance sensor with a print head or a laser processing head can be moved synchronously with.
  • Deviations from nominal values continuously during the formation of a layer can be recognized, the required capacity of an electronic control can be reduced, since only data for the formation of a single layer must be processed and transmitted simultaneously. So far, a CAD model has been completely in layers of a given
  • Thickness or single points of a defined volume decomposed There was an assignment of process or process parameters to the individual layers / points. Then, the layer / point information of the respective layer is transferred either completely (very large amount of data) or individually (streaming) to the device for manufacturing a component. With a complete transfer, a very large amount of data has to be taken into account, which leads to a high computational effort. In the case of a single transfer, there has hitherto been no adaptation of the process or process parameters after determining the actual contour. Reactions to deviations that occur during the manufacturing process are not possible.
  • the derivation of the process parameters from the process model and the target contour can also take place and the adaptation by the variation of the process parameters in one the subsequent trainees or individual points. This can lead to a deterioration of the accuracy in the manufacture of a component. As a result, however, the time required for the production can be reduced.
  • individual layers or regions of layers with different materials may be formed. So layers of different materials can be formed on top of each other. It is also possible to form graded layers in which, for example, the proportion of solids, the particle sizes of a solid or the composition of a material mixture in a suspension or a powder changes successively from layer to layer.
  • a layer can also be formed with different materials in different areas of the layer, areas with different particle sizes or modified composition of a material mixture.
  • the properties of a component produced in this way can be influenced in a differentiated way locally.
  • the final component properties can be formed by a subsequent sintering process. In this case, locally differentiated properties can also be formed.
  • the surface of the individual layers may be formed into surface regions having a predetermined size and geometric shape and to perform the spatially resolved determination of the heights and distances within the individual surface regions.
  • the setpoint / actual value comparison for each individual surface area can be carried out separately and used for the control of the next layer formation.
  • the size of the individual surfaces depends on the efficiency of the computing technology, the desired resolution and the required productivity.
  • the surface of a surface of a trainee layer can be virtually divided into surface areas for spatially resolved detection of distances to at least one distance sensor, not shown, or to a height measuring device.
  • a setpoint / actual value comparison for each individual surface area can be carried out separately and used for the control of the next layer formation.
  • a metering device for printing or a laser processing head or its powder feed can be moved to the respective position and the additional material application there in the required amount and the respective required material before the next succeeding layer is formed above. This can be repeated several times if necessary.
  • a metered quantity of material to be applied locally can be moved by targeted variation of process or process parameters, in particular the drop size and shape, the speed with which a print head is moved in a printing process, or the variation of the time intervals should be set accordingly.
  • each suspension / powder mixture / filament has a different metering behavior.
  • the volume properties (volume, height, width, shape) of the applied material can be changed by varying the process or process parameters within a suspension-specific interval.
  • a layer height should first be determined, which can be achieved for all suspensions / powder mixtures / filaments. This can be done by comparison with a database, by the operator's default, or by methods such as Big data, artificial intelligence or machine learning.
  • Figure 1 is a perspective view of a layer of an additive of a plurality of juxtaposed materials to be formed component over the surface of a virtual construction field.
  • a component is produced additively by means of a printing method in which a three-dimensionally movable printhead can be used.
  • Three materials (2.1, 2.2 and 2.3) of pasty consistency, in which a solid forms a suspension with at least one liquid, are printed drop by drop layer by layer.
  • the virtual building platform (1) is divided into surface areas (lxy) for a spatially resolved detection of distances to at least one distance sensor, not shown, or to a height measuring device.
  • the individual surface areas (lxy) are in an electronic memory each target values with a predetermined height or a distance of the surface of the respective individual layers to be formed with the corresponding setpoints, in particular to the respective x- and y-coordinates of a Cartesian coordinate system for the spatially resolved recording and execution saved the setpoint / actual value comparison.
  • the respective setpoint value for one of the surface area (lxy) can be the respective z-coordinate and both have been predefined for all layers or can be calculated during the process. A calculation of the nominal values can only take place during the production process and then for each individual layer.
  • the setpoints do not need to be pre-set / created for the entire part, but can be calculated based on the CAD model information and process or process parameters via the process model.
  • the spatially resolved detection of heights or distances and comparison of nominal values carried out it could be ascertained in this example that the heights above the surface areas 1.2.x and 1.4.x have been formed at the correct height. Since above the surface areas 1.1.x and 1.3.x after the first material deposit, too small a height or too great a distance, ie a deviation from the nominal value of the CAD-
  • Material quantity is adjusted by targeted variation of the dosing parameters. This can be done by influencing the droplet size or shape, the speed of movement of a printhead in a printing process or the variation of the time intervals between the individual
  • the computer program used for the control of the production process can influence the formation of the next following layer so that at the positions of the surface regions 1.1.x material with a correspondingly smaller amount is applied by the printing, so that the height of the surface of this layer reach the corresponding new desired value can.
  • the areas of the virtual construction field l.x.y are each selected as a square area.
  • Each suspension / powder mixture / filament has a different metering behavior.
  • the volume properties (volume, height, width, shape) of the applied material can be changed by varying the process parameters in a suspension-specific interval.
  • a layer height must first be determined which can be achieved for all suspensions / powder mixtures / filaments. This can be done by comparing with a database be done by the operator or via methods such as big data or machine learning.

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Abstract

The invention relates to a method in which material is applied layer by layer above one another. Use is made of process or method parameters from which the target values for the height of the deposited material originate, or the target values for the height can be calculated. Localy-resolved detection of the height of the applied material as a current value of the height of the material is carried out. The distance of the surface of the applied material is determined as a current value of the height of the deposited material. The respective determined locally-resolved heights or distances are compared with predefinable calculated target values, such that in the event that a deviation is detected, additional material is applied before a further layer is applied to the surface, or locally defined adaptation of the process or method parameters is carried out, such that the detected deviation is compensated during the formation of a following layer. In the event of a deviation with too great a height or too small a distance in the material application, it is also possible for a further layer of a smaller quantity of material to be applied.

Description

Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung dreidimensional ausgebildeter Bauteile  Process for the layerwise additive production of three-dimensionally formed components
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung dreidimensional ausgebildeter Bauteile. Mit solchen Verfahren können Bauteile flexible und mit Geometrien hergestellt werden, die mit herkömmlichen Gießverfahren oder Verfahren bei denen eine spanende Bearbeitung erfolgt, nicht oder nur sehr aufwändig herstellbar sind. The invention relates to a method for layerwise additive production of three-dimensionally formed components. With such methods, components can be manufactured flexibly and with geometries that can not or only with great difficulty be produced with conventional casting methods or processes in which machining is carried out.
Die Erfindung soll nicht bei additiven Verfahren eingesetzt werden, bei denen pulverförmiger Werkstoff schichtweise aufgetragen und dann lokal definiert unter dem Einfluss eines auslenkbaren Energiestrahls oder über die Einbringung einer Binderflüssigkeit eine Verfestigung des Werkstoffs in der jeweiligen obersten Schicht durchgeführt wird. Dies sind beispielsweise das selektive Lasersintern oder das selektive Laserschmelzen bzw. der 3D Pulverdruck (bin- der jetting). Zur Ausbildung dreidimensionaler Bauteile ist es bekannt, pulverförmigen Werkstoff oder einen Werkstoff mit pastöser Konsistenz schichtweise so auf einer Bauplattform aufzubringen, dass die einzelnen Schichten unterschiedliche Konturen aufweisen, so dass ein nahezu beliebig dreidimensional gestal- tetes Bauteil hergestellt werden kann. The invention should not be used in additive processes in which powdered material is applied in layers and then locally defined under the influence of a deflectable energy beam or via the introduction of a binder liquid, a solidification of the material in the respective uppermost layer is performed. These are, for example, selective laser sintering or selective laser melting or 3D powdering (Bender jetting). For the formation of three-dimensional components, it is known to apply powdery material or a material of pasty consistency in layers on a construction platform in such a way that the individual layers have different contours, so that a virtually arbitrarily three-dimensionally designed component can be produced.
Dabei kann es aber zu Dosierfehlern oder zu einer von einer Vorgabe abweichenden Verfestigung an Positionen einer Schicht kommen, so dass die jeweils zuletzt ausgebildete oberste Schicht an Positionen entweder zu hoch oder zu tief ausgebildet worden ist. Außerdem kommt es bei der Dosierung unterschiedlicher Materialien, z.B. bei der additiven Herstellung von Multimaterial- bauteilen, oftmals zu unterschiedlichen Tropfenvolumina, die in unterschiedlichen Tropfenhöhen resultieren können. Um diesen Abweichungen entgegen zu treten, wurde bisher eine Glättung durch eine Verformung oder durch einen Werkstoffabtrag durchgeführt. Beides führt aber zu einem erhöhten Herstellungsaufwand, da der Prozess der eigentlichen Herstellung dazu unterbrochen werden muss oder Nacharbeiten erforderlich werden. Außerdem kann es bei einer Verformung oder auch bei einem Werkstoffabtrag infolge eines Energieeintrages lokal zu Veränderungen des Werkstoffs kommen, die die Eigenschaften des Bauteils nachteilig beeinflussen können oder eine zusätzliche thermische Behandlung, wie z.B. einem Glühen, erforderlich machen. Ein Abtrag von Material reduziert zudem die Auftragsrate und damit die Produktivität sowie Materialausnutzung. However, this can lead to dosing errors or to a deviating from a specification solidification at positions of a layer, so that the respectively last formed uppermost layer has been formed at positions either too high or too low. In addition, the dosage of different materials, e.g. in the additive production of multi-material components, often to different drop volumes, which can result in different drop heights. In order to counteract these deviations, smoothing by deformation or material removal has hitherto been carried out. But both leads to an increased production cost, since the process of actual production has to be interrupted or reworking required. In addition, deformation or material removal due to an input of energy may cause locally changes in the material which may adversely affect the properties of the component or may require additional thermal treatment, such as e.g. a glow, required. A removal of material also reduces the order rate and thus the productivity and material utilization.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine sichere den Vorgaben für die Herstellung eines jeweiligen Bauteils berücksichtigende Herstellung dreidimensionaler Bauteile durch additive schichtweise Herstellung anzugeben, bei denen sich der zusätzliche Herstellungsaufwand durch Vermei- dung von Zusatz- oder Nachbearbeitung reduzieren lässt. It is therefore the object of the invention to specify possibilities for reliable production of three-dimensional components that takes into account the specifications for the production of a respective component by additive layer-by-layer production, in which the additional production outlay can be reduced by avoiding additional or post-processing.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeich- neten Merkmalen realisiert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung dreidimensional ausgebildeter Bauteile wird ein pulverförmiger oder in pastöser Form vorliegender Werkstoff schichtweise einer vorgegebenen Kontur entsprechend auf einer Bauplattform oder einer Oberfläche eines Bauteils übereinander aufgetragen und der jeweilige Werkstoff in jeder Schicht soweit verfestigt, dass nachfolgend ein weiterer Werkstoffauftrag erfolgen kann. According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features designated in subordinate claims. In the method according to the invention for the layerwise additive production of three-dimensionally formed components, a powdery or present in paste form material layer by layer of a predetermined contour on a construction platform or a surface of a component is applied to each other and solidified the respective material in each layer so far that subsequently another application of material can be done.
Zur Ablage des Werkstoffes werden vordefinierte, berechnete oder aus einer Datenbank bezogene Prozess- oder Verfahrensparameter genutzt, aus denen die Sollwerte für die Höhe des abgelegten Werkstoffes hervorgehen oder die Sollwerte für die Höhe berechnet werden können. For storing the material, predefined, calculated or from a database related process or process parameters are used, from which the target values for the height of the deposited material emerge or the setpoint values for the height can be calculated.
Nach oder unmittelbar bei dem Auftrag des Werkstoffs einer Schicht wird eine ortsaufgelöste Erfassung der Höhe des aufgetragenen Werkstoffs ausgehend von der Oberfläche der Bauplattform oder der Oberfläche eines Bauteils bis zur Oberfläche der obersten Schicht oder der Abstand der Oberfläche des aufgetragenen Werkstoffs an der bis dahin obersten Schicht zu mindestens einem Abstandssensor bestimmt. Es kann sich bei dem Bauteil auch um ein Halbzeug handeln, das bevorzugt mit einem anderen Herstellungsverfahren erhalten worden ist. After or immediately after the application of the material of a layer, a spatially resolved detection of the height of the applied material from the surface of the construction platform or the surface of a component to the surface of the uppermost layer or the distance of the surface of the applied material at the hitherto topmost layer determined to at least one distance sensor. The component can also be a semi-finished product, which has preferably been obtained by a different production method.
Die jeweiligen ortsaufgelöst bestimmten Höhen oder Abstände werden mit vorgegebenen Sollwerten verglichen, so dass bei einer erfassten Abweichung, bei dem eine zu geringe Höhe oder ein zu großer Abstand aufgetreten ist, an einer dementsprechenden Position zusätzlich Werkstoff aufgetragen wird, bevor eine weitere Schicht auf der Oberfläche aufgebracht wird, wenn die erfasste(n) Abweichung(en) ein vorgegebenes Maß überschreiten. Dieser Ausgleich von Abweichungen kann durch eine geeignete Anpassung von The respective spatially resolved heights or distances are compared with predetermined target values, so that at a detected deviation, in which too low a height or too large a distance has occurred at a corresponding position additional material is applied before another layer on the surface is applied when the detected deviation (s) exceed a predetermined level. This balancing of deviations can be achieved by a suitable adaptation of
Dosierparametern erreicht werden. Dosage parameters can be achieved.
Diese Sollwerte können dabei entweder vor dem Bauprozess festgelegt oder berechnet werden oder deren Berechnung bzw. Festlegung erfolgt während des laufenden Fertigungsprozesses. Bevorzugt ist es aber, wenn eine Abweichung von einer Vorgabe bei einem Auftrag einer unmittelbar auf die Schicht folgend aufgetragenen Schicht oder falls ein Ausgleich von der Abweichung beim Auftrag einer Schicht nicht möglich ist, dieser Ausgleich bei einem Auf- trag mehrerer nachfolgender Schichten erfolgt These setpoints can either be set or calculated before the construction process or their calculation or determination takes place during the ongoing manufacturing process. However, it is preferred if a deviation from a specification in the case of an order of a layer applied directly following the layer or if a compensation of the deviation when applying a layer is not possible, this compensation in a carried out several successive layers
Es kann erfindungsgemäß auch eine lokal definiert Anpassung der Prozessoder Verfahrensparameter erfolgen, so dass die erfasste Abweichung über eine erhöhte Menge an abgelegten Werkstoff in diesem lokalen Bereich bei der Ausbildung mindestens einer nachfolgend auszubildenden Schicht kompensiert wird According to the invention, a locally defined adaptation of the process or process parameters can also take place, so that the detected deviation is compensated for by an increased amount of deposited material in this local area during the formation of at least one subsequently to be formed layer
Bei einer erfassten Abweichung, bei dem eine zu große Höhe oder ein zu klei- ner Abstand aufgetreten ist und die Abweichung ein vorgegebenes Maß überschreitet, wird an einer dementsprechenden Position beim Werkstoffauftrag für die nachfolgende Ausbildung einer weiteren Schicht durch die Anpassung der Prozess- oder Verfahrensparameter eine kleinere Menge an Werkstoff aufgetragen, als die Menge, die ursprünglich für diese Schicht an dieser lokal definierten Stelle vorgesehen war. In the case of a detected deviation in which an excessive height or a too small distance has occurred and the deviation exceeds a predetermined level, the process or process parameters are adjusted at a corresponding position during material application for the subsequent formation of a further layer a smaller amount of material is applied than the amount originally intended for this layer at this locally defined location.
Es werden also die hinterlegten Prozess- oder Verfahrensparameter genutzt, wenn nicht-signifikante Abweichungen zwischen Soll- und Istwerten erfasst worden sind. Eine Anpassung von Prozess- oder Verfahrensparametern kann dann unterlassen werden. Thus, the stored process or process parameters are used if non-significant deviations between setpoints and actual values have been detected. An adaptation of process or process parameters can then be omitted.
Die Herstellung des Bauteils kann mit einem Druckverfahren, bei dem mindestens ein Druckkopf entsprechend bewegt wird, oder durch Laserauftragsschweißen durchgeführt werden. The manufacture of the component can be carried out by a printing process in which at least one print head is moved accordingly, or by laser deposition welding.
Nach Ausbildung einer Schicht kann die Oberfläche der Schicht mit einer optischen Scaneinheit erfasst und dabei die jeweiligen Höhen der Oberfläche oder der Abstände dieser Schicht ortsaufgelöst erfasst und für den Vergleich mit entsprechenden Höhen oder Abständen an den jeweiligen Positionen genutzt werden. After the formation of a layer, the surface of the layer can be detected with an optical scanning unit, and the respective heights of the surface or the distances of this layer can be detected in a spatially resolved manner and used for comparison with corresponding heights or distances at the respective positions.
Es besteht auch die Möglichkeit, unmittelbar bei der Ausbildung einer Schicht an den einzelnen Positionen den Abstand zu einem Abstandssensor zu erfassen und die ortsaufgelöst erfassten Abstände für den Vergleich mit entspre- chenden Werten an den jeweiligen Positionen zu nutzen. Nach der ortsaufgelösten Erfassung der Höhen oder Abstände einer Schicht können die bei dem Vergleich erkannten Abweichungen bei der Steuerung für die Ausbildung der nachfolgend auszubildenden Schicht, durch Anpassung der Prozess- oder Verfahrensparameter berücksichtigt werden. It is also possible to detect the distance to a distance sensor directly at the formation of a layer at the individual positions and to use the spatially resolved distances for comparison with corresponding values at the respective positions. After the spatially resolved detection of the heights or distances of a layer, the deviations in the control detected during the comparison can be taken into account for the formation of the subsequently to be formed layer by adaptation of the process or process parameters.
Mit einem Computerprogramm kann ein Soll-Istwertvergleich anhand von vorgegebenen oder im Fertigungsprozess berechneten Sollwerten durchgeführt werden und bei dabei erkannten Abweichungen von Sollwerten für entsprechende Höhen oder Abstände können neue Sollwerte bestimmt werden, die bei der Ausbildung durch entsprechend angepasste Prozess- oder Verfahrensparameter und daraus resultierenden veränderten Werkstoffmengen, die im Bereich von erfassten Abweichungen bei einer Ausbildung mindestens einer nachfolgend auszubildenden Schicht appliziert werden, berücksichtigt werden können. With a computer program, a setpoint-actual value comparison can be carried out on the basis of predefined or calculated in the manufacturing process setpoint values and detected thereby deviations from setpoints for corresponding heights or distances new setpoints can be determined in the training by appropriately adapted process or process parameters and the resulting changed amounts of material that are applied in the range of detected deviations in a training at least one subsequent trainee layer, can be considered.
Dabei sollte ein Computerprogramm so ausgestaltet sein, dass es diese Anpassung vornehmen kann, ohne dass ein Eingriff, insbesondere ein Eingriff von einem Bediener, von außen erforderlich ist. Mit einem entsprechenden Computerprogramm kann man dabei folgendeIn this case, a computer program should be designed so that it can make this adjustment, without any intervention, in particular an intervention by an operator, from the outside is required. With an appropriate computer program one can do the following
Aufgaben ausführen: Perform tasks:
Bestimmung neuer Sollwerte für den Ausgleich von Abweichungen von einer Vorgabe, insbesondere durch Durchführung eines Soll- /Istwertvergleichs des Abstandes oder der Höhe, der bis zu diesemDetermination of new setpoints for the compensation of deviations from a specification, in particular by carrying out a setpoint / actual value comparison of the distance or the height, up to this
Zeitpunkt übereinander ausgebildeten Schichten. Dabei kann das CAD- Modell für das jeweilige Bauteil sowie mit mindestens einem Sensor erfasste Abstands- oder Höheninformationen genutzt und berücksichtigt werden. Time superimposed layers. In this case, the CAD model for the respective component as well as distance or height information acquired with at least one sensor can be used and taken into account.
- Anpassung von Dosierparametern für den Auftrag mindestens einer nachfolgend aufzutragenden Schicht unter Berücksichtigung von mit dem Computerprogramm bestimmten neuen Sollwerten  - Adaptation of dosing parameters for the application of at least one subsequent layer to be applied, taking into account new setpoints determined by the computer program
- Auslösen eines Fertigungsauftrags für den Auftrag einer zusätzlichen Schicht oder in einem lokal definierten Oberflächenbereich, in dem ei- ne zu große Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert erfasst worden ist, die nur mit dem Auftrag einer zusätzlichen Schicht ausge- glichen werden kann. Triggering a production order for the order of an additional layer or in a locally defined surface area in which a too large deviation from a predetermined setpoint has been detected, which is only possible with the order of an additional layer. can be the same.
Übertragung der Soll- und Istwertinformationen sowie von  Transmission of the setpoint and actual value information as well as of
Dosierparametern in eine Datenbank und Anpassung des Prozessmo- delles, das die Zusammenhänge zwischen Dosierparametern und insbesondere Tropfeneigenschaften umfasst.  Dosing parameters in a database and adaptation of the process model, which includes the relationships between Dosierparametern and in particular drop properties.
Protokollierung der erfassten Messwerte und der vorgenommenen Veränderungen am Fertigungsprogramm für ein jeweiliges Bauteil.  Logging of the measured values recorded and the changes made to the production program for a particular component.
Bei der ortsaufgelösten Erfassung und der Steuerung kann auf ein kartesisches Koordinatensystem zurückgegriffen und die x-, y- und z-Koordinaten genutzt werden. In the spatially resolved acquisition and the control can be used on a Cartesian coordinate system and the x, y and z coordinates are used.
Für die Bestimmung des Abstandes kann mindestens ein Abstandssensor eingesetzt werden. Ein oder mehrere Abstandssensor(en) kann/können während der Erfassung eines jeweiligen Abstandes in einer Ebene angeordnet sein, die in einem konstanten Abstand zu einer Ebene angeordnet ist, die wiederum parallel zur Oberfläche der einzelnen Schichten bzw. parallel zu einer Bezugsebene, beispielsweise der Ebene einer Bauplattform, auf der ein Bauteil schichtweise ausgebildet wird, ausgerichtet ist. Als Abstandssensoren können optische Sensoren, laseroptische Sensoren, Hallsensoren, Radarsensoren, Sensoren zur optischen Interferometrie, Sensoren der Konfokaltechnik, Sensoren zur Triangulation oder Sensoren zur Bestimmung von Laufzeiten eingesetzt werden. At least one distance sensor can be used to determine the distance. One or more distance sensor (s) may be arranged during the detection of a respective distance in a plane which is arranged at a constant distance to a plane, which in turn parallel to the surface of the individual layers or parallel to a reference plane, for example Level of a construction platform on which a component is formed in layers, is aligned. As distance sensors, optical sensors, laser-optical sensors, Hall sensors, radar sensors, sensors for optical interferometry, confocal sensors, sensors for triangulation or sensors for determining transit times can be used.
Wie bereits bei der Beschreibungseinleitung zum Ausdruck gebracht, kann das Verfahren für die Herstellung des Bauteils ein Druckverfahren sein, bei dem mindestens ein Druckkopf entsprechend durch seine Bewegung positioniert wird. Dabei kann zur Ausbildung der einzelnen Schichten ein Werkstoff mit pastöser Konsistenz, beispielsweise ein Polymer oder eine Suspension mit zum Drucken geeigneter Viskosität eingesetzt werden. Die Verfestigung kann durch Aushärten, Polymerisation, die Entfernung eines Lösungsmittels, eine thermische Behandlung bei der flüssige und/oder organische Komponenten entfernt werden und eine Sinterung erfolgt. Das Drucken kann durch Ablegen einzelner Tropfen nebeneinander oder durch Ablegen mehr oder weniger langer Stränge erfolgen. Bei einem Einsatz einer Suspension kann der enthaltene Feststoff zur Schichtausbildung genutzt werden. Die Herstellung kann auch durch Laserauftragsschweißen, bei dem pulverför- miger Werkstoff lokal definiert aufgebracht und mit der Energie mindestens eines Laserstrahles verschmolzen bzw. versintert wird, erfolgen. As already stated in the introduction to the description, the method for the production of the component can be a printing method in which at least one print head is appropriately positioned by its movement. In this case, a material having a pasty consistency, for example a polymer or a suspension having a viscosity suitable for printing, can be used to form the individual layers. The solidification can be removed by curing, polymerization, the removal of a solvent, a thermal treatment in the liquid and / or organic components and sintering takes place. The printing can be done by depositing individual drops next to each other or by depositing more or less long strands. When using a suspension, the solid contained can be used for layer formation. The production can also be carried out by laser deposition welding, in which pulverulent material is applied locally defined and fused or sintered with the energy of at least one laser beam.
Die angesprochene Verfestigung der jeweiligen Schicht kann auch durch eine Trocknung erreicht werden, bei der flüssige Bestandteile in ausreichendem Maß entfernt werden. Polymere können durch einen Energieeintrag vernetzt oder zumindest teilweise polymerisiert werden. Ein Energieeintrag kann durch geeignete Bestrahlung erreicht werden. The mentioned solidification of the respective layer can also be achieved by drying, in which liquid constituents are sufficiently removed. Polymers can be crosslinked by an energy input or at least partially polymerized. An energy input can be achieved by suitable irradiation.
Beim Einsatz aufgeschmolzener thermoplastischer Polymere kann deren Verfestigung einfach infolge von Abkühlung erreicht werden. Nach Ausbildung einer Schicht kann die Oberfläche mit einer optischen Scaneinheit erfasst und dabei die jeweiligen Höhen oder die Abstände der Oberfläche dieser Schicht ortsaufgelöst erfasst und für den Vergleich mit entsprechenden Höhen oder Abständen an den jeweiligen Positionen genutzt werden. When using molten thermoplastic polymers, their solidification can be achieved simply as a result of cooling. After the formation of a layer, the surface can be detected with an optical scanning unit and, in this case, the position or height of the respective heights or distances of the surface can be detected in a spatially resolved manner and used for comparison with corresponding heights or distances at the respective positions.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, unmittelbar bei der Ausbildung einer Schicht an den einzelnen Positionen den Abstand zu mindestens einem Abstandssensor zu erfassen und die ortsaufgelöst erfassten Abstände für den Vergleich mit entsprechenden Sollwerten an den jeweiligen Positionen zu nut- zen. Dazu kann beispielsweise ein Abstandssensor mit einem Druckkopf oder einem Laserbearbeitungskopf synchron mit bewegt werden. However, it is also possible to detect the distance to at least one distance sensor directly at the formation of a layer at the individual positions and to use the distances detected spatially resolved for comparison with corresponding desired values at the respective positions. For this purpose, for example, a distance sensor with a print head or a laser processing head can be moved synchronously with.
Anders als gegenwärtig besteht mit der Erfindung die Möglichkeit, nicht das gesamte Bauteil auf einmal in Schichten zu zerlegen und alle Informationen zur Erstellung all dieser Schichten gleichzeitig auf die Fertigungsanlage zu übertragen. Vielmehr sollen dabei immer nur die aktuellen Schichtinformationen übertragen werden, danach die momentanen Istgeometrien erfasst und mit den anvisierten Sollgeometrien verglichen werden. Anschließend erfolgt die Anpassung der Prozess- oder Verfahrensparameter für die nächste auszu- bildende Schicht und deren Übertragung an die Fertigungsanlage. Da somitUnlike the present invention, it is possible not to disassemble the entire component into layers at one go and to simultaneously transfer all information for producing all these layers to the manufacturing facility. Rather, only the current layer information should always be transmitted, after which the current actual geometries are recorded and compared with the intended target geometries. Subsequently, the adaptation of the process or process parameters for the next layer to be formed and their transfer to the production plant takes place. Thereby
Abweichungen von Sollwerten kontinuierlich bei der Ausbildung einer Schicht erkannt werden können, kann die erforderliche Kapazität einer elektronischen Steuerung reduziert werden, da lediglich Daten für die Ausbildung einer einzigen Schicht gleichzeitig bearbeitet und übertragen werden müssen. Bisher wurde ein CAD-Modell vollständig in Schichten einer vorgegebenenDeviations from nominal values continuously during the formation of a layer can be recognized, the required capacity of an electronic control can be reduced, since only data for the formation of a single layer must be processed and transmitted simultaneously. So far, a CAD model has been completely in layers of a given
Dicke oder einzelner Punkte eines definierten Volumens zerlegt. Es erfolgte eine Zuordnung von Prozess- oder Verfahrensparametern zu den einzelnen Schichten/Punkten. Dann werden die Schicht-/Punktinformationen der jeweiligen Schicht entweder vollständig (- sehr große Datenmenge) oder einzeln (Streaming) an die Vorrichtung zur Fertigung eines Bauteils übergeben. Bei einer vollständigen Übergabe ist eine sehr große Datenmenge zu berücksichtigen, was zu einem hohen Rechenaufwand führt. Bei einer einzelnen Übergabe erfolgt bisher keine Anpassung der Prozess- oder Verfahrensparameter nach Ermittlung der IST-Kontur. Reaktionen auf Abweichungen, die während des Herstellungsprozesses auftreten, sind nicht möglich. Thickness or single points of a defined volume decomposed. There was an assignment of process or process parameters to the individual layers / points. Then, the layer / point information of the respective layer is transferred either completely (very large amount of data) or individually (streaming) to the device for manufacturing a component. With a complete transfer, a very large amount of data has to be taken into account, which leads to a high computational effort. In the case of a single transfer, there has hitherto been no adaptation of the process or process parameters after determining the actual contour. Reactions to deviations that occur during the manufacturing process are not possible.
Im Gegensatz dazu kann das bei der Erfindung einsetzbaren Computerprogramm nur die jeweils aktuelle Schicht berücksichtigen. Aus den Daten zur Vorgabe der Geometrie (CAD-Modell) können zunächst nur die Daten extra- hiert und verwendet werden, die zur Ausbildung einer ersten Schicht notwendig sind. Dabei wird eine Vorgabe der Schichtdicke und Zuordnung der Prozess- oder Verfahrensparameter (manuell oder aus Datenbank) und/oder eine Vorgabe der verwendeten Werkstoffe und Ableitung der zu erwartenden Schichtdicke und der notwendigen Prozess- oder Verfahrensparameter aus der Datenbank berücksichtigt und dann erfolgt die Ausbildung der nachfolgend auszubildenden Schicht mit gleichzeitiger Berechnung der zu erwartenden Sollkontur aus dem Prozessmodell unter Berücksichtigung von mit dem Computerprogramm bestimmten neuen Sollwerten, die durch entsprechend lokal definiert dosierten Auftrag entsprechender Werkstoffmengen erfasste Abweichungen kompensieren können. In contrast, the computer program which can be used in the invention can only take into account the respective current layer. From the data for specifying the geometry (CAD model), at first only the data necessary for the formation of a first layer can be extracted and used. In this case, a specification of the layer thickness and assignment of the process or process parameters (manually or from database) and / or a specification of the materials used and derivation of the expected layer thickness and the necessary process or process parameters from the database is taken into account and then the formation of the Subsequently to be trained layer with simultaneous calculation of the expected target contour from the process model, taking into account determined by the computer program new setpoints that can compensate by corresponding locally defined metered order of corresponding amounts of material detected deviations.
Durch Bestimmung der Ist-Kontur und einen Soll-/lstwertvergleich können Abweichungen von Vorgaben (Sollwerten) bei der Ausbildung der nachfolgend auszubildenden Schicht oder Punkte unter Berücksichtigung der Ist-Kontur anstelle der Soll-Kontur sowie der CAD-Daten des Bauteils durch Anpassung der Prozess- oder Verfahrensparameter für diese nächste Schicht oder einzel- ner Punkte durch zusätzlichen oder reduzierten Werkstoffauftrag durch Anpassung des Prozessmodells berücksichtigt werden. Diese Anpassung kann mittels eines Computerprogramms erreicht werden. Dabei könne bei mit dem Soll-/lstwertvergleich erkannten Abweichungen neue Sollwerte und dazugehörige Prozess- / Dosierparameter bestimmt werden, mit denen lokal definiert durch einen entsprechend angepassten Werkstoffauftrag die erkannten Abweichungen bei der Ausbildung mindestens einer nachfolgend auszubildenden Schicht oder einzelnen Punkten kompensiert werden können. By determining the actual contour and a nominal / actual value comparison, deviations from specifications (nominal values) during the formation of the layer or points to be subsequently formed, taking into account the actual contour instead of the nominal contour and the CAD data of the component by adapting the process - or process parameters for that next shift or individual points are taken into account by additional or reduced material application by adapting the process model. This adaptation can be achieved by means of a computer program. In this case, new setpoint values and associated process / dosing parameters can be determined in the case of deviations identified with the setpoint / actual value comparison, with which the deviations detected in the formation of at least one subsequently to be formed layer or individual points can be compensated for locally defined by a suitably adapted material application.
Falls die Berechnung der Soll-Ist-Abweichung sowie die Anpassung der Prozess- oder Verrfahrensparameter für die nächste Schicht zu lange dauert, kann auch die Ableitung der Prozessparameter aus dem Prozessmodell sowie der Soll-Kontur erfolgen und die Anpassung durch die Variation der Prozessparameter in einer der darauffolgend auszubildenden Schichten oder einzelner Punkte erfolgen. Dies kann zu einer Verschlechterung der Genauigkeit bei der Fertigung eines Bauteils führen. Dadurch kann aber die für die Fertigung erforderliche Zeit reduziert werden. If the calculation of the target / actual deviation as well as the adaptation of the process or process parameters for the next shift takes too long, the derivation of the process parameters from the process model and the target contour can also take place and the adaptation by the variation of the process parameters in one the subsequent trainees or individual points. This can lead to a deterioration of the accuracy in the manufacture of a component. As a result, however, the time required for the production can be reduced.
Bei der Erfindung können einzelne Schichten oder Bereiche von Schichten mit unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet werden. So können Schichten aus unterschiedlichen Werkstoffen übereinander ausgebildet werden. Es besteht auch die Möglichkeit gradierte Schichten auszubilden, bei denen sich beispielsweise der Anteil an Feststoff, die Partikelgrößen eines Feststoffes oder die Zusammensetzung eines Werkstoffgemisches in einer Suspension oder einem Pulver sukzessive von Schicht zu Schicht ändert. In the invention, individual layers or regions of layers with different materials may be formed. So layers of different materials can be formed on top of each other. It is also possible to form graded layers in which, for example, the proportion of solids, the particle sizes of a solid or the composition of a material mixture in a suspension or a powder changes successively from layer to layer.
Eine Schicht kann aber auch mit unterschiedlichen Werkstoffen in verschiedenen Bereichen der Schicht, Bereiche mit unterschiedlichen Partikelgrößen oder veränderter Zusammensetzung eines Werkstoffgemisches ausgebildet werden. A layer can also be formed with different materials in different areas of the layer, areas with different particle sizes or modified composition of a material mixture.
Es können so Bauteile, die lokal definiert mit unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind, hergestellt werden. In this way, components which are defined locally with different materials can be produced.
Dadurch können die Eigenschaften eines so hergestellten Bauteils lokal differenziert beeinflusst werden. Bei Verwendung partikelgefüllter Suspensionen können die finalen Bauteileigenschaften durch einen anschließenden Sinter- prozess ausgebildet werden. Dabei können ebenfalls lokal differenzierte Eigenschaften ausgebildet werden. As a result, the properties of a component produced in this way can be influenced in a differentiated way locally. When using particle-filled suspensions The final component properties can be formed by a subsequent sintering process. In this case, locally differentiated properties can also be formed.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche der auszubildenden einzelnen Schichten in Oberflächenbereiche mit vorgegebener Größe und geometrischer Gestalt einzuteilen und die ortsaufgelöste Bestimmung der Höhen und Abstände innerhalb der einzelnen Oberflächenbereiche vorzunehmen. Dabei kann der Soll-/lstwertvergleich für jeden einzelnen dieser Oberflächenbereiche gesondert durchgeführt und für die Steuerung der nächstfolgenden Schichtausbildung genutzt werden. Wie groß die einzelnen Flächen sind, ist abhängig von der Leistungsfähigkeit der Rechentechnik, der gewünschten Auflösung sowie der benötigten Produktivität. In the method according to the invention, it may be advantageous to divide the surface of the individual layers to be formed into surface regions having a predetermined size and geometric shape and to perform the spatially resolved determination of the heights and distances within the individual surface regions. The setpoint / actual value comparison for each individual surface area can be carried out separately and used for the control of the next layer formation. The size of the individual surfaces depends on the efficiency of the computing technology, the desired resolution and the required productivity.
Die Oberfläche einer Oberfläche einer auszubildenden Schicht kann virtuell in Oberflächenbereiche für eine ortsaufgelöste Erfassung von Abständen zu mindestens einem nicht gezeigten Abstandssensor oder zu einer Höhenmes- seinrichtung aufgeteilt werden. The surface of a surface of a trainee layer can be virtually divided into surface areas for spatially resolved detection of distances to at least one distance sensor, not shown, or to a height measuring device.
Vorteilhaft kann ein Soll-/lstwertvergleich für jeden einzelnen Oberflächenbereich gesondert durchgeführt und für die Steuerung der nächstfolgenden Schichtausbildung genutzt werden. Advantageously, a setpoint / actual value comparison for each individual surface area can be carried out separately and used for the control of the next layer formation.
Ein Abgleich mit den benachbarten Volumenelementen/Flächenbereichen an einem Bauteil während seiner Fertigung sollte vorgenommen werden, da bei einem Druckverfahren das erreichbare Tropfenvolumen eines Tropfens, das erforderliche Volumen über einem einzelnen Flächenbereich übersteigen kann. Ein zusätzlicher oder veränderter Werkstoffauftrag beeinflusst die umliegenden Bereiche. An alignment with the adjacent volume elements / surface areas on a component during its production should be undertaken, since in a printing process the achievable drop volume of a drop can exceed the required volume over a single surface area. An additional or modified material application influences the surrounding areas.
Es besteht bei der Erfindung die Möglichkeit, zusätzlich Werkstoff an Positionen aufzutragen, bei denen eine zu kleine Höhe oder ein zu großer Abstand erfasst worden ist, vor der Ausbildung einer darüber angeordneten nachfolgenden Schicht, mit zusätzlichem Werkstück zu beschicken. Dazu kann mittels der ortsaufgelöst erfassten Höhen oder Abstände neben der jeweiligen Position auch die erforderliche Werkstoff menge berechnet werden, mit der ein Ausgleich der Differenz des tatsächlichen Höhen- oder Abstandsmesswert vom Sollwert ausgeglichen werden kann. There is the possibility in the invention, in addition to apply material at positions in which too small a height or too large a distance has been detected, prior to the formation of an overlying subsequent layer to feed with additional workpiece. These can be calculated by means of spatially resolved detected heights or distances in addition to the respective position and the required amount of material with the one Compensation of the difference of the actual height or distance measured value can be compensated by the target value.
In diesem Fall kann eine Dosiereinrichtung zum Drucken oder ein Laserbear- beitungskopf bzw. dessen Pulverzuführung an die jeweilige Position bewegt und die zusätzliche Werkstoffapplikation dort in der erforderlichen Menge und dem jeweils erforderlichen Werkstoff erfolgen, bevor die nächstfolgende Schicht darüber ausgebildet wird. Dies kann falls erforderlich mehrfach wiederholt werden. Bei nacheinander durchzuführenden Dosierprozessen kann bei der Ausbildung einer Schicht oder von Oberflächenbereichen von Schichten eine dosierte lokal definiert zu applizierende Werkstoffmenge durch gezielte Variation von Prozess- oder Verfahrensparametern, insbesondere der Tropfengröße und -form, der Geschwindigkeit mit der ein Druckkopf bei einem Druckverfahren bewegt wird oder die Variation der Zeitintervalle ent- sprechend eingestellt werden. In this case, a metering device for printing or a laser processing head or its powder feed can be moved to the respective position and the additional material application there in the required amount and the respective required material before the next succeeding layer is formed above. This can be repeated several times if necessary. In the case of successive metering processes, when a layer or surface areas of layers are formed, a metered quantity of material to be applied locally can be moved by targeted variation of process or process parameters, in particular the drop size and shape, the speed with which a print head is moved in a printing process, or the variation of the time intervals should be set accordingly.
Bei sehr kleinen Flächen im virtuellen Baufeld muss auch immer ein Abgleich mit den benachbarten Flächen des virtuellen Baufeldes erfolgen, da das abgelegte Volumen immer größer als das Volumen der betrachteten Schicht über der Fläche des virtuellen Baufeldes sein wird und eine (zusätzliche) Materialablage auch die umgebenden Bereiche beeinflusst. In the case of very small areas in the virtual construction field, an alignment with the adjacent surfaces of the virtual construction field always has to take place, since the deposited volume will always be larger than the volume of the considered layer over the area of the virtual construction field and an (additional) material storage will also be the surrounding Affected areas.
Üblicherweise weist jede Suspension/Pulvermischung/Filament ein anderes Dosierverhalten auf. Dabei können die Volumeneigenschaften (Volumen, Höhe, Breite, Form) des aufgetragenen Materials durch die Variation der Prozess- oder Verfahrensparameter innerhalb eines suspensionsspezifischen Intervall verändert werden. Usually, each suspension / powder mixture / filament has a different metering behavior. The volume properties (volume, height, width, shape) of the applied material can be changed by varying the process or process parameters within a suspension-specific interval.
Wenn mehrere verschiedene Suspensionen/Pulvermischungen/Filamente parallel verarbeitet werden sollen, sollte zunächst eine Schichthöhe ermittelt werden, die für alle Suspensionen/Pulvermischungen/Filamente erreicht werden kann. Dies kann durch den Abgleich mit einer Datenbank, durch die Vorgabe des Bedieners oder über Methoden, wie z.B. Big Data, künstliche Intelligenz oder maschinelles Lernen erfolgen. If several different suspensions / powder mixtures / filaments are to be processed in parallel, a layer height should first be determined, which can be achieved for all suspensions / powder mixtures / filaments. This can be done by comparison with a database, by the operator's default, or by methods such as Big data, artificial intelligence or machine learning.
Wenn zwei Suspensionen/Pulvermischungen/Filamente parallel verarbeitet werden, bei denen es keine Überlappungen der suspensionsspezifischen Intervalle bezüglich der erzielbaren Höhe bzw. erreichbaren Dicke einer einzelnen Schicht gibt, ist es auch möglich, dass eine Schichtdicke ausgewählt wird, die für eine erste Suspension/Pulvermischung/Filament erreichbar ist und für die jeweils andere Suspension/Pulvermischung/Filament über einen mehrmaligen schichtweisen Auftrag erreichbar ist. Die andere Suspension kann dabei so oft schichtweise nacheinander aufgebracht werden, bis die Dicke der einen Schicht, die mit der ersten Suspension erreicht worden ist, erreicht wurde. When two suspensions / powder mixtures / filaments processed in parallel For example, where there is no overlap of the suspension specific intervals with respect to the achievable height or attainable thickness of a single layer, it is also possible to select a layer thickness achievable for a first suspension / powder mixture / filament and for the other one Suspension / powder mixture / filament over a multiple layered order is achievable. The other suspension can be applied successively in layers successively until the thickness of the one layer which has been achieved with the first suspension has been reached.
Mit der Erfindung kann auf die bisher erforderlichen Nachbearbeitungen oder Zwischenbearbeitungsschritte zu Glättung bzw. den Ausgleich von Höhenunterschieden verzichtet werden, was die in der Beschreibungseinleitung genannten Nachteile vermeidet. With the invention can be dispensed with the previously required post-processing or intermediate processing steps for smoothing or the compensation of height differences, which avoids the disadvantages mentioned in the introduction.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigt: The invention will be explained in more detail by way of example in the following. Showing:
Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer Schicht eines additiv aus mehreren, nebeneinander abgelegten Materialien auszubildenden Bauteils über der Oberfläche eines virtuellen Baufeldes. Figure 1 is a perspective view of a layer of an additive of a plurality of juxtaposed materials to be formed component over the surface of a virtual construction field.
Bei dem gezeigten Beispiel wird ein Bauteil additiv mittels eines Druckverfahrens, bei dem ein dreidimensional bewegbarer Druckkopf eingesetzt werden kann, hergestellt. Dabei werden drei Werkstoffe (2.1, 2.2 und 2.3) mit pastö- ser Konsistenz, bei dem ein Feststoff mit mindestens einer Flüssigkeit eine Suspension bildet, tropfenweise Schicht für Schicht aufgedruckt. In the example shown, a component is produced additively by means of a printing method in which a three-dimensionally movable printhead can be used. Three materials (2.1, 2.2 and 2.3) of pasty consistency, in which a solid forms a suspension with at least one liquid, are printed drop by drop layer by layer.
Die virtuelle Bauplattform (1) ist dabei in Oberflächenbereiche (l.x.y) für eine ortsaufgelöste Erfassung von Abständen zu mindestens einem nicht gezeigten Abstandssensor oder zu einer Höhenmesseinrichtung aufgeteilt. Für die einzelnen Oberflächenbereiche (l.x.y) sind in einem elektronischen Speicher jeweils Sollwerte mit einer vorgegeben Höhe oder eines Abstandes der Oberfläche der jeweils auszubildenden einzelnen Schichten mit den entsprechenden Sollwerten, insbesondere zu den jeweiligen x- und y-Koordinaten eines karte- sischen Koordinatensystems für die ortsaufgelöste Erfassung und Durchfüh- rung des Soll-/lstwertvergleichs gespeichert. Der jeweilige Sollwert für einen der Oberflächenbereich (l.x.y) kann dabei die jeweilige z-Koordinate sein und sowohl vorab für alle Schichten vorgegeben wurden sein oder während des Prozesses berechnet werden. Eine Berechnung der Sollwerte kann erst wäh- rend des Herstellungsprozesses und dann für jede einzelne Schicht erfolgen.The virtual building platform (1) is divided into surface areas (lxy) for a spatially resolved detection of distances to at least one distance sensor, not shown, or to a height measuring device. For the individual surface areas (lxy) are in an electronic memory each target values with a predetermined height or a distance of the surface of the respective individual layers to be formed with the corresponding setpoints, in particular to the respective x- and y-coordinates of a Cartesian coordinate system for the spatially resolved recording and execution saved the setpoint / actual value comparison. The respective setpoint value for one of the surface area (lxy) can be the respective z-coordinate and both have been predefined for all layers or can be calculated during the process. A calculation of the nominal values can only take place during the production process and then for each individual layer.
Die Sollwerte müssen nicht vorher für das gesamte Bauteil vorgegeben/erstellt, sondern können je nach CAD-Modellinformationen und Prozessoder Verfahrensparametern über das Prozessmodell berechnet werden. Bei oder nach der ortsaufgelösten Erfassung von Höhen bzw. Abständen und durchgeführtem Sollwertvergleich, konnte bei diesem Beispiel festgestellt werden, dass die Höhen über den Oberflächenbereichen 1.2.x sowie 1.4.x in korrekter Höhe ausgebildet worden sind. Da über den Oberflächenbereichen 1.1.x und 1.3.x nach der ersten Werkstoffablage eine zu kleine Höhe oder ei- nen zu großen Abstand, also eine Abweichung vom Sollwert des CAD-The setpoints do not need to be pre-set / created for the entire part, but can be calculated based on the CAD model information and process or process parameters via the process model. During or after the spatially resolved detection of heights or distances and comparison of nominal values carried out, it could be ascertained in this example that the heights above the surface areas 1.2.x and 1.4.x have been formed at the correct height. Since above the surface areas 1.1.x and 1.3.x after the first material deposit, too small a height or too great a distance, ie a deviation from the nominal value of the CAD-
Datensatzes detektiert wurde, erfolgte vor der Erstellung der nächsten Schicht eine erneute Werkstoffablage (2.1.b bzw. 2.3.b). Dazu wurden die Bereiche 1.1.x und 1.3.x erneut mit dem Druckkopf angesteuert und die jeweils erforderliche Werkstoff menge mit dem entsprechenden Werkstoff für die jeweilige Position dosiert appliziert, um an dieser Position die vorgegebene Höhe derRecord was detected, took place before the creation of the next layer, a new material storage (2.1.b or 2.3.b). For this purpose, the areas 1.1.x and 1.3.x were again controlled with the print head and the amount of material required in each case metered dose with the appropriate material for the respective position to the predetermined height of the position at this position
Oberfläche der entsprechend dann obersten Schicht zu erreichen. Für die Bereiche 1.1.x und 1.3.x wurden mit einem Computerprogramm neue Sollwerte bestimmt, die die erfassten Abweichungen bei einer Werkstoffapplikation auf diesen Bereichen 1.1.x und 1.3.x kompensieren. Surface of the corresponding then top layer to reach. For the areas 1.1.x and 1.3.x, new setpoints were determined with a computer program, which compensate for the recorded deviations in a material application on these areas 1.1.x and 1.3.x.
Da anschließend in einer erneuten Überprüfung in den Bereichen 1.1.x eine zu große Höhe bzw. ein zu kleiner Abstand in Bezug zu einem Abstandssensor ermittelt wurde, erfolgt in dieser Schicht kein weiterer Werkstoffauftrag in diesen Bereichen. Die ermittelte Überhöhung wird aber bei der Erstellung der nächsten Schicht mit berücksichtigt (nicht dargestellt), indem die dosierteSince a too high height or a too small distance in relation to a distance sensor was subsequently determined in a renewed check in the areas 1.1.x, no further material application takes place in these areas in this layer. The determined elevation is, however, taken into account in the preparation of the next layer (not shown) by the metered
Werkstoffmenge durch gezielte Variation der Dosierparameter entsprechend eingestellt wird. Dies kann durch Beeinflussung der Tropfengröße oder -form, die Geschwindigkeit der Bewegung eines Druckkopfes bei einem Druckverfahren oder die Variation der Zeitintervalle zwischen den einzelnen Material quantity is adjusted by targeted variation of the dosing parameters. This can be done by influencing the droplet size or shape, the speed of movement of a printhead in a printing process or the variation of the time intervals between the individual
Dosierprozessen erreicht werden. In den Bereichen 1.3.x wird auch nach der zweiten Dosierung eine zu kleine Höhe oder ein zu großer Abstand detektiert, so dass diese Bereiche 1.3.x nochmals mit dem Druckkopf angesteuert werden und die jeweils erforderliche Werkstoffmenge mit dem entsprechenden Werkstoff für die jeweilige Position dosiert appliziert wird, um an dieser Position die vorgegebene Höhe zu erreichen. Dosing processes can be achieved. In the areas 1.3.x too small a height or too large a distance is detected even after the second dosage, so that these areas 1.3.x are again controlled by the print head and dosed the required amount of material with the appropriate material for each position is applied to reach the predetermined height at this position.
Das eingesetzte Computerprogramm für die Steuerung des Fertigungsprozesses kann die Ausbildung der nächstfolgenden Schicht so beeinflussen, dass an den Positionen der Oberflächenbereiche 1.1.x Werkstoff mit entsprechend kleinerer Menge durch das Drucken appliziert wird, so dass die Höhe der Oberfläche dieser Schicht den entsprechenden neuen Sollwert erreichen kann. The computer program used for the control of the production process can influence the formation of the next following layer so that at the positions of the surface regions 1.1.x material with a correspondingly smaller amount is applied by the printing, so that the height of the surface of this layer reach the corresponding new desired value can.
Bei diesem Beispiel sind die Bereiche des virtuellen Baufeldes l.x.y jeweils als quadratische Fläche gewählt. Es können aber auch andere geometrische Formen anstelle oder zusätzlich in Kombination zu den quadratischen gewählt werden. In this example, the areas of the virtual construction field l.x.y are each selected as a square area. However, it is also possible to choose other geometric shapes instead of or in addition to the square ones.
#Noch ein paar Gedanken:  #A few thoughts:
Bei sehr kleinen Flächen im virtuellen Baufeld muss auch immer ein Abgleich mit den benachbarten Flächen des virtuellen Baufeldes erfolgen, da das abgelegte Volumen immer größer als das Volumen der betrachteten Schicht über der Fläche des virtuellen Baufeldes sein wird und eine (zusätzliche) Materialablage auch die umgebenden Bereiche beeinflusst. In the case of very small areas in the virtual construction field, an alignment with the adjacent surfaces of the virtual construction field always has to take place, since the deposited volume will always be larger than the volume of the considered layer over the area of the virtual construction field and an (additional) material storage will also be the surrounding Affected areas.
Jede Suspension/Pulvermischung/Filament weist ein anderes Dosierverhalten auf. Dabei können die Volumeneigenschaften (Volumen, Höhe, Breite, Form) des aufgetragenen Materials durch die Variation der Prozessparameter in einem suspensionsspezifischen Intervall verändert werden. Each suspension / powder mixture / filament has a different metering behavior. The volume properties (volume, height, width, shape) of the applied material can be changed by varying the process parameters in a suspension-specific interval.
Wenn mehrere verschiedene Suspensionen/Pulvermischungen/Filamente parallel verarbeitet werden sollen, muss zunächst eine Schichthöhe ermittelt werden, die für alle Suspensionen/Pulvermischungen/Filamente erzielt werden kann. Dies kann durch den Abgleich mit einer Datenbank, durch die Vor- gäbe des Bedieners oder über Methoden wie Big Data oder Maschinelles Lernen erfolgen. If several different suspensions / powder mixtures / filaments are to be processed in parallel, a layer height must first be determined which can be achieved for all suspensions / powder mixtures / filaments. This can be done by comparing with a database be done by the operator or via methods such as big data or machine learning.
Wenn zwei Suspensionen/Pulvermischungen/Filamente parallel verarbeitet werden, bei denen es keine Überlappungen der Intervalle bezüglich der erzielbaren Höhe gibt, ist es auch möglich, dass eine Schichtdicke ausgewählt wird, die für eine Suspension/Pulvermischung/Filament erzeugbar ist und für die andere Suspension/Pulvermischung/Filament über den mehrmaligen Auftrag erzielbar ist. If two suspensions / powder mixtures / filaments are processed in parallel, in which there are no overlaps of the intervals with regard to the achievable height, it is also possible to select a layer thickness which can be produced for one suspension / powder mixture / filament and for the other suspension / Powder mixture / filament can be achieved over the repeated application.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung dreidimensional ausgebildeter Bauteile, bei dem ein pulverförmiger oder in pastöser Form vorliegender Werkstoff schichtweise einer vorgegebenen Kontur entsprechend auf einer Bauplattform oder einer Oberfläche eines Bauteils übereinander aufgetragen und der jeweilige Werkstoff in jeder Schicht soweit verfestigt wird, dass nachfolgend ein weiterer Werkstoffauftrag erfolgen kann und dabei zur Ablage des Werkstoffes vordefinierte, berechnete oder aus einer Datenbank bezogene Prozess- oder Verfahrensparameter genutzt werden, aus denen die Sollwerte für die Höhe des abgelegten Werkstoffes hervorgehen oder die Sollwerte für die Höhe berechnet werden können und nach oder unmittelbar bei dem Auftrag des Werkstoffs einer Schicht eine ortsaufgelöste Erfassung der Höhe des aufgetragenen Werkstoffs ausgehend von der Oberfläche der Bauplattform bis zur Oberfläche der obersten Schicht als Istwert der Höhe des abgelegten Werkstoffes bestimmt wird oder der Abstand der Oberfläche des aufgetragenen Werkstoffs an der bis dahin obersten Schicht als Istwert der Höhe des abgelegten Werkstoffes in der aktuell aufgetragenen Schicht zu mindestens einem Abstandssensor bestimmt und die jeweiligen ortsaufgelöst bestimmten Höhen oder Abstände mit vorgegebenen oder im Fertigungsprozess berechneten Sollwerten verglichen werden, so dass bei einer erfassten Abweichung, bei dem eine zu geringe Höhe oder ein zu großer Abstand aufgetreten ist, an einer dementsprechenden Position zusätzlich Werkstoff aufgetragen wird, bevor eine weitere Schicht auf der Oberfläche aufgebracht wird, wenn die erfassten Abweichungen ein vorgegebenes Maß überschreiten, oder eine lokal definiert Anpassung der Prozess- oder Verfahrensparameter erfolgt, so dass die erfasste Abweichung über eine erhöhte Menge an abgelegten Werkstoff in diesem lokalen Bereich bei der Ausbildung mindestens einer nachfolgend auszubildenden Schicht kompensiert wird oder 1. A process for layerwise additive production of three-dimensionally formed components, in which a powdered or present in pasty material layer by layer of a predetermined contour on a construction platform or a surface of a component above each other and the respective material is solidified in each layer to the extent that subsequently a It is possible to carry out further material application and thereby use predefined, calculated or database-related process or process parameters from which the desired values for the height of the deposited material emerge or the desired values for the height can be calculated and after or directly at the order of the material of a layer a spatially resolved detection of the height of the applied material, starting from the surface of the construction platform to the surface of the uppermost layer as an actual value of the height of the deposited material be is true or the distance of the surface of the applied material at the hitherto topmost layer determined as the actual value of the height of the deposited material in the currently applied layer to at least one distance sensor and the respective spatially resolved heights or distances are compared with predetermined or calculated in the manufacturing process setpoints , so that for a detected deviation in which too low a height or too large a distance has been applied to a corresponding position additional material before another layer is applied to the surface, when the detected deviations exceed a predetermined level, or locally Defined adaptation of the process or process parameters is carried out so that the detected deviation is compensated by an increased amount of deposited material in this local area in the formation of at least one subsequent trainee layer, or
bei einer erfassten Abweichung, bei dem eine zu große Höhe oder ein zu kleiner Abstand aufgetreten ist und die Abweichung ein vorgegebenes Maß überschreitet, an einer dementsprechenden Position beim Werkstoffauftrag für die nachfolgende Ausbildung einer weiteren Schicht durch die Anpassung der Prozess- oder Verfahrensparameter eine kleinere Menge an Werkstoff aufgetragen wird, als die Menge, die ursprünglich für diese Schicht an dieser lokal definierten Stelle vorgesehen war.  at a detected deviation in which an excessive height or too small a distance has occurred and the deviation exceeds a predetermined level, at a corresponding position in the material order for the subsequent formation of another layer by adjusting the process or process parameters a smaller amount is applied to the material, as the amount that was originally intended for this layer at this locally defined location.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Bauteils mit einem Druckverfahren, bei dem mindestens ein Druckkopf entsprechend bewegt wird, oder 2. The method according to claim 1, characterized in that the production of the component with a printing method in which at least one print head is moved accordingly, or
durch Laserauftragsschweißen durchgeführt wird.  performed by laser deposition welding.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ausbildung einer Schicht die Oberfläche der Schicht mit einer optischen Scaneinheit erfasst und dabei die jeweiligen Höhen der Oberfläche oder der Abstände dieser Schicht ortsaufgelöst erfasst und für den Vergleich mit entsprechenden Höhen oder Abständen an den jeweiligen Positionen genutzt werden oder unmittelbar bei der Ausbildung einer Schicht an den einzelnen Positionen der Abstand zu einem Abstandssensor erfasst und die ortsaufgelöst erfassten Abstände für den Vergleich mit entsprechenden Werten an den jeweiligen Positionen genutzt werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that after forming a layer detects the surface of the layer with an optical scanning unit and detects the respective heights of the surface or the distances of this layer spatially resolved and for comparison with corresponding heights or distances the respective positions or immediately upon the formation of a layer at the individual positions, the distance to a distance sensor is detected and the spatially resolved detected distances are used for the comparison with corresponding values at the respective positions.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ortsaufgelösten Erfassung der Höhen oder Abstände einer Schicht die bei dem Vergleich erkannten Abweichungen bei der Steuerung für die Ausbildung der nachfolgend auszubildenden Schicht, durch Anpassung der Prozess- oder Verfahrensparameter berücksichtigt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that after the spatially resolved detection of the heights or distances of a layer, the deviations in the control detected during the comparison for the formation of the subsequently to be formed layer are taken into account by adaptation of the process or process parameters.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Computerprogramm ein Soll-Istwertvergleich anhand von vorgegebenen oder im Fertigungsprozess berechneten Sollwerten durchgeführt wird und bei dabei erkannten Abweichungen von Sollwerten für entsprechende Höhen oder Abstände neue Sollwerte bestimmt werden, die bei der Ausbildung durch entsprechend an- gepasste Prozess- oder Verfahrensparameter und daraus resultierenden veränderten Werkstoff mengen, die im Bereich von erfassten Abweichungen bei einer Ausbildung mindestens einer nachfolgend auszubildenden Schicht appliziert werden, berücksichtigt werden. Method according to the preceding claim, characterized in that with a computer program, a nominal-actual value comparison is carried out on the basis of predetermined or calculated in the manufacturing process setpoint values and thereby detected deviations from setpoints for corresponding heights or distances new setpoints are determined in the training by accordingly adapted process or process parameters and the resulting changed material quantities, which are applied in the range of detected deviations during training of at least one subsequently to be trained layer, are taken into account.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche einer Oberfläche einer auszubildenden Schicht virtuell in Oberflächenbereiche (l.lx, 1.2.x, 1.3.x, 1.4.x 2.1.x, 2.2 und 2.3.x) für eine ortsaufgelöste Erfassung von Abständen zu mindestens einem nicht gezeigten Abstandssensor oder zu einer Höhenmesseinrichtung aufgeteilt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of a surface of a trainee layer virtually in surface areas (l.lx, 1.2.x, 1.3.x, 1.4.x 2.1.x, 2.2 and 2.3.x) for a spatially resolved Detection of distances to at least one distance sensor, not shown, or to a height measuring device is divided.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Soll-/lstwertvergleich für jeden einzelnen Oberflächenbereich (l.lx, 1.2.x, 1.3.x, 1.4.x 2.1.x, 2.2 und 2.3.x) gesondert durchgeführt und für die Steuerung der nächstfolgenden Schichtausbildung genutzt wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a setpoint / lstwertvergleich for each surface area (l.lx, 1.2.x, 1.3.x, 1.4.x 2.1.x, 2.2 and 2.3.x) separately performed and used for the control of the next layer training.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dosierte lokal definiert zu applizierende Werkstoffmenge durch gezielte Variation von Prozess- oderVerfahrenspa- rametern, insbesondere der Tropfengröße und -form, der Geschwindigkeit mit der ein Druckkopf bei einem Druckverfahren bewegt wird oder die Variation der Zeitintervalle zwischen den einzelnen nacheinander durchzuführenden Dosierprozessen bei der Ausbildung einer Schicht oder Oberflächenbereichen (l.lx, 1.2.x, 1.3.x, 1.4.x 2.1.x, 2.2 und 2.3.x) von Schichten entsprechend eingestellt wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a metered locally defined to be applied amount of material by targeted variation of process or procedural parameters, in particular the drop size and shape, the speed with which a print head is moved in a printing process or Variation of the time intervals between the individual dosing processes to be carried out successively in the formation of a layer or surface areas (l.lx, 1.2.x, 1.3.x, 1.4.x 2.1.x, 2.2 and 2.3.x) of layers is adjusted accordingly.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Schichten oder Oberflächenbereiche (l.lx, 1.2.x, 1.3.x, 1.4.x 2.1.x, 2.2 und 2.3.x) von Schichten mit unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet werden. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that individual layers or surface areas (l.lx, 1.2.x, 1.3.x, 1.4.x 2.1.x, 2.2 and 2.3.x) of layers are formed with different materials ,
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kompensation von erfassten Abweichungen von Sollwerten, Daten für die Ausbildung einer einzigen Schicht gleichzeitig berücksichtigt werden. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at a compensation of detected deviations from target values, data for the formation of a single layer are taken into account simultaneously.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorgabe der verwendeten Werkstoffe und Ableitung der zu erwartenden Schichtdicke und der notwendigen Prozessparameter aus einer Datenbank bei der Ausbildung der nachfolgend auszubildenden Schicht mit gleichzeitiger Berechnung der zu erwartenden Sollkontur aus einem Prozessmodell unter Berücksichtigung von mit dem Computerprogramm bestimmten neuen Sollwerten berücksichtigt werden. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a specification of the materials used and derivation of the expected layer thickness and the necessary process parameters from a database in the formation of the subsequent trainee layer with simultaneous calculation of the expected nominal contour from a process model under consideration be considered by the computer set new setpoints.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bauteile, die lokal definiert mit unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind, hergestellt werden. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that components which are defined locally formed with different materials are produced.
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