WO2022023223A1 - Verfahren und vorrichtung zur additiven herstellung eines werkstücks - Google Patents

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WO2022023223A1
WO2022023223A1 PCT/EP2021/070754 EP2021070754W WO2022023223A1 WO 2022023223 A1 WO2022023223 A1 WO 2022023223A1 EP 2021070754 W EP2021070754 W EP 2021070754W WO 2022023223 A1 WO2022023223 A1 WO 2022023223A1
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data set
workpiece
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manufacturing
production
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PCT/EP2021/070754
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Bernhard Wiedemann
Dominik SCHMID
Marius HAEUSELE
Heiko DEGEN
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Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for the additive manufacturing of a
  • step c) obtaining a first data set defining the workpiece in a plurality of stacked workpiece layers, b) selecting a fabrication region on a fabrication platform having lateral platform dimensions that are larger than the lateral workpiece dimensions, wherein the fabrication region includes a portion of the Manufacturing platform defined on which the workpiece is to be manufactured in layers, c) creating a defined layer of material in the manufacturing region on the manufacturing platform using the first data set, with the material layer, a defined workpiece layer is produced from the plurality of workpiece layers arranged on top of one another, and d) repeating step c), further defined workpiece layers being produced from the plurality of workpiece layers arranged on top of one another.
  • the invention also relates to a device for the additive manufacturing of a workpiece with lateral workpiece dimensions, with a manufacturing platform with lateral platform dimensions that are larger than the lateral workpiece dimensions, with a structuring tool that can be moved relative to the manufacturing platform, with a first memory , which is set up to obtain a first data set that defines the workpiece in a plurality of workpiece layers arranged one on top of the other, and having a control unit that is set up to move the structuring tool relative to the manufacturing platform using the first data set in order to incrementally to produce a multiplicity of material layers in a production region on the production platform, with each material layer from the multiplicity of material layers producing a defined workpiece layer from the multiplicity of workpiece layers arranged one on top of the other approx.
  • Additive methods for producing workpieces are sometimes referred to as 3D printing.
  • 3D printing There are various additive manufacturing processes.
  • SLS selective laser sintering
  • SLM selective laser melting
  • a so-called powder bed with a large number of powder particles distributed over a surface area is used. These are often metallic powder particles.
  • PA polyamide
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • Selected powder particles in the powder bed are melted and/or melted with the aid of one or more laser beams or electron beams and consequently bond with one another.
  • binder jetting a powdery starting material is bonded with a liquid binder at selected points.
  • a desired workpiece layer can thus be produced selectively in the powder bed. After the production of such a workpiece layer, a new powder layer is distributed on the powder bed and a further workpiece layer can be selectively produced. Overall, the workpiece is thus made in layers stacked workpiece layers.
  • a workpiece material can be selectively deposited on a manufacturing platform to build a workpiece layer by layer.
  • the workpiece material can be a molten plastic, for example.
  • the manufacturing platform has lateral dimensions that are greater than the lateral dimensions of the workpiece to be manufactured to allow the manufacturing platform to support the workpiece during manufacture without overhang. Accordingly, at least implicitly, an individual manufacturing region on the manufacturing platform must be selected for each workpiece when initiating a manufacturing process.
  • US Pat. No. 10,220,566 B2 discloses a method and a device of the type mentioned at the outset and proposes measuring selected material layers during the course of the process in order to make adjustments to the production of the subsequent workpiece layers as a function thereof, if necessary. In this way, manufacturing errors can be detected early and corrected during the course of the process. It has been shown that fluctuations in various process parameters make it difficult to produce a workpiece with high requirements in terms of dimensional accuracy, reproducibility and resilience.
  • WO 2019/206903 A1 discloses a further method for the additive manufacturing of a workpiece and a corresponding device, with dimensional and/or geometric properties of a workpiece layer being measured during the course of the process in order to improve the accuracy and reproducibility of the manufacturing process.
  • WO 2018/064349 A1 discloses a method for the additive manufacturing of a workpiece, so-called model markers being added to the CAD data of the workpiece. Along with the creation of the piece, physical markers were made. Deviations between the positions of the model markers in the CAD data and the positions of the physical markers in a 3D scanner image are determined to generate corrected print commands.
  • WO 2018/234331 A1 discloses a method and a device for the additive manufacturing of a workpiece, measurement results on the workpiece being compared with the result of a simulation of the measurement.
  • WO 2020/094732 A1 discloses a method and a device for inspecting the surface of a powder bed in order to obtain workpiece layers that are as homogeneous as possible in the additive manufacturing of a workpiece and to avoid cracks, pores, dents and other things.
  • this object is achieved by a method of the type mentioned, wherein before step c) a second data set is obtained, which represents a production region-dependent distortion of the defined material layers, and wherein the defined material layer is generated using the first data set and using the second data set.
  • this object is achieved by a device of the type mentioned at the outset, with a second memory which is set up to receive a second data set, the second data set being one of the manufacturer development region-dependent distortion of the defined workpiece layers, and wherein the control unit is set up to move the structuring tool using the first data set and using the second data set relative to the production platform.
  • the method mentioned is particularly advantageously implemented using a computer program with program code, which can be executed on the control unit of a device of the type mentioned.
  • the new method and the new device are based on the knowledge that the individual manufacturing region of a workpiece on the manufacturing platform can lead to an individual distortion of the additively manufactured material layers that is dependent on the manufacturing region.
  • the individual distortion leads to dimensional and/or geometric deviations in the workpiece layer produced compared to the target dimensions of the workpiece layer, which result from the first data set.
  • the dimensional accuracy of an additively manufactured workpiece can depend on the selected individual manufacturing region on the manufacturing platform.
  • the new method and the corresponding device use a second data set that records location-dependent distortions, in particular location-dependent dimensional and/or geometric deviations compared to the respective Target dimensions representing the additively manufactured workpiece layers in the manufacturing volume on the manufacturing platform.
  • the second data set can represent location-dependent distortions of the additively produced material layers in three mutually orthogonal spatial directions.
  • the three mutually orthogonal spatial directions can contain two orthogonal spatial directions parallel to the manufacturing platform and a third spatial direction perpendicular to the manufacturing platform.
  • the second data set can therefore represent location-dependent distortions of the additively produced material layers in relation to a large number of spatial volumes (voxels) in the production volume on or above the production platform.
  • the individual distortions which are dependent on the respective manufacturing region, can have various causes. These include inhomogeneous temperature distributions and/or temperature profiles within the production volume.
  • side boundary walls on the production platform which serve to limit a powder bed, can influence the temporal and spatial temperature profile within the production volume, so that depending on the distance between a production region and the side boundary walls, a higher or lower process temperature, faster or slower heating and/or faster or slower cooling occurs.
  • the number and lateral distances between several workpieces produced at the same time on the production platform can also influence the temporal and spatial temperature distribution.
  • the precision with which the patterning tool is moveable relative to the manufacturing platform may vary depending on the particular manufacturing region on the manufacturing platform.
  • the new method and the corresponding device make it possible to take such site-dependent process variations into account early on in the manufacturing process and, if necessary, to carry out necessary process corrections. If necessary, such a correction can be carried out in addition to other measures that serve to improve the reproducibility and dimensional accuracy of additively manufactured workpieces, such as the early inspection of a powder bed before the respective structuring of a workpiece layer.
  • the second data record can be provided and obtained without extensive modifications to the hardware of devices already in use.
  • the new method can therefore also be implemented inexpensively on devices that are already in use, in particular with the aid of the computer program mentioned above. Accordingly, the new method and the corresponding device advantageously contribute to improving the dimensional accuracy and reproducibility of additively manufactured workpieces in a cost-effective manner. The above task is completely solved.
  • the defined layer of material is produced using a structuring tool, which is moved relative to the production platform using the first data set and using the second data set.
  • the process for producing a defined layer of material as it initially results from the first data set, using the second data set in order to counteract in this way location-dependent individual distortions of the defined material layer.
  • the modification is integrated into a conventional process flow.
  • the structuring tool is moved relative to the production platform with partially different movement parameters than without the second dataset.
  • the structuring tool can be, for example, a laser beam, an electron beam, a melting head, a hot air nozzle or another tool with the aid of which a workpiece layer can be produced selectively on a production platform.
  • the other or modified movement parameters can include a faster or slower movement of the structuring tool relative to the production platform, a modified trajectory and/or modified other process temperatures.
  • the first data set is modified using the second data set in order to generate a modified first data set, the structuring tool being moved relative to the production platform in dependence on the modified first data set.
  • the first data set contains CAD data of the workpiece to be produced.
  • this CAD data can be modified using the second dataset in such a way that the workpiece layers actually produced in a production region have the desired one Have dimensional accuracy and reproducibility.
  • the CAD data are distorted individually and dependent on the manufacturing region using the second data set, so that an individually modified CAD data set is available for each manufacturing region.
  • the workpiece layers are manufactured on the manufacturing platform with the individually modified CAD data set.
  • the configuration has the advantage that the location-dependent correction of the workpiece layers can be carried out "very far ahead" in the production process and largely independently of the hardware of the device used.
  • the new method and the new device can therefore be implemented very easily and inexpensively and can be retrofitted in devices that are already in use.
  • the modification of the first data record can particularly advantageously take place completely before production step c).
  • first control signals are determined as a function of the first data set, with which the structuring tool can be moved relative to the production platform, the first control signals being modified as a function of the second data set in order to generate modified control signals, and wherein the patterning tool is moved relative to the fabrication platform in response to the modified control signals.
  • the correction of the location-dependent individual distortions is achieved using modified control signals.
  • these can be control signals with which the structuring tool is controlled.
  • the design is particularly advantageous if the structuring tool is controlled using individual calibration data anyway, ie if different control signals are generated from a defined CAD data set depending on the device used and/or current environmental parameters.
  • the patterning tool is moved in closed loop control relative to the manufacturing platform and the modification of the first control signals may include modification of a drive current or an operating voltage.
  • a multiplicity of defined test objects are produced in layers distributed spatially on the production platform, with the second data set being determined using the multiplicity of defined test objects.
  • the distortion of the defined material layers is determined on the basis of the layers of the test objects.
  • the design enables the second data set to be determined quite simply and efficiently for a large number of manufacturing regions.
  • a large number of second data sets are determined, which differ with regard to the number and distribution of the test objects in the production volume.
  • a first plurality of second data sets can be determined, with a test object being manufactured at a different manufacturing region on the manufacturing platform in each case.
  • the first plurality of second data sets thus represents location-dependent distortions of the material layers for those cases in which only one workpiece is produced in a manufacturing process.
  • a second data set can be determined in which several test objects are produced on the production platform at the same time.
  • the second data record represents location-dependent distortions of the material layers and, in addition, the dependence of the location-dependent distortions on the occupancy of the production platform and/or the utilization of the production volume.
  • a multiplicity of second data sets are obtained which represent a multiplicity of different production scenarios, with the different production scenarios differing in the number and spatial distribution of test objects within the production volume.
  • that second data set can then be selected from the plurality of second data sets that comes closest to the current manufacturing scenario in terms of the number and distribution of the workpieces. The design enables a significant improvement in dimensional accuracy and reproducibility in the additive manufacturing of workpieces.
  • the multiplicity of defined test objects each have a defined longitudinal extent perpendicular to the production platform.
  • the defined test objects can advantageously each have a rod-shaped element that is produced in layers from bottom to top on the production platform. The design makes it possible to determine location-dependent variations in the course of the process sequence in a fairly simple and efficient manner.
  • test objects each with a defined longitudinal extent, allows such variations to be determined in a very simple and efficient manner after the test objects have been removed from the production platform.
  • the plurality of defined test objects each has a defined longitudinal extent parallel to the production platform.
  • the test objects can advantageously each have rod-like elements which extend essentially parallel to the production platform.
  • the defined test objects have rod-like elements that span one or more planes parallel to the production platform.
  • the test objects include structures with mutually orthogonal rods, some of which extend parallel to the manufacturing platform and at least one other rod running perpendicular to the manufacturing platform.
  • the plurality of defined test objects are each manufactured with an individual coding which represents a respective manufacturing region on the manufacturing platform, the second data set being determined using the individual codings.
  • the defined test objects differ from one another to the extent that the respective production region can already be inferred from the respective test object.
  • the individual coding can contain elevations and depressions, for example, which encode information relating to the respective manufacturing region on the manufacturing platform in the manner of a barcode or a QR code.
  • a multiplicity of test objects can be produced with a common holding structure, with the respective position of a test object within the common holding structure encoding the respective production region.
  • the plurality of defined test objects are each measured using a measuring device in order to determine individual test object dimensions, with the second data set being determined as a function of the test object dimensions.
  • the second data set is automatically determined as a function of the test object measurements.
  • the individual codings can advantageously be correlated with the individual test object dimensions.
  • the measuring device can be an integrated measuring device of the new device.
  • the measuring device can contain a stationary or a mobile 3D scanner, with which the defined test objects are measured after they have been removed from the production platform.
  • the test objects can be inserted into a special test object holder that ensures a defined and reproducible test object position during the measurement.
  • the individual test object dimensions can be compared with the target dimensions of the test objects, in particular in the form of CAD data, in order to determine the individual location-dependent distortions of the workpiece layers.
  • the refinement enables a very efficient determination of the second data set or a very efficient determination of a plurality of second data sets that represent a large number of location-dependent distortions and process scenarios.
  • the production region on the production platform is selected as a function of the second data set.
  • Production region include selecting a specific second data set from a plurality of second data sets that comes closest to the current production scenario for the workpiece to be produced in terms of the workpiece dimensions and/or the number of workpieces to be produced at the same time. Depending on the selected second dataset, that manufacturing region can then be selected on the manufacturing platform that promises particularly high dimensional accuracy and/or reproducibility for the current manufacturing scenario.
  • the design advantageously contributes to improving the dimensional accuracy and reproducibility of additively manufactured workpieces, since the individual placement and spatial distribution of the workpieces to be manufactured can be optimized in a simple manner.
  • the workpiece after manufacture with a
  • Measuring device measured to determine individual workpiece dimensions, with the second data set being modified depending on the individual workpiece dimensions.
  • the second data set is determined using real workpieces from earlier manufacturing processes.
  • Information relating to the dimensional accuracy of the workpiece produced using the new method is therefore taken into account for the production of future workpieces and, in particular, fed back into a future production process in the manner of a closed control loop.
  • the design contributes to establishing an adaptive and self-optimizing manufacturing process. It has the advantage that changes in the process parameters are also taken into account over longer periods of time and overall a high level of dimensional accuracy and reproducibility is achieved over long production periods.
  • the defined material layer is solidified in step c) using the structuring tool.
  • the structuring tool is set up to selectively bind flowable and/or free-flowing materials, such as in particular metal powder or plastic particles, to one another and thus solidify them.
  • the configuration therefore relates to methods and devices for the additive production of workpieces, in which the individual workpiece layers can assume almost any shape. With such methods, location-dependent delays can occur to a particular extent.
  • the configuration therefore contributes to achieving high dimensional accuracy and reproducibility of the workpieces in such methods, such as in particular selective laser sintering and selective laser melting.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of the new device with a large number of workpieces to be produced
  • FIG. 2 shows the device from FIG. 1 with a large number of defined test objects
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an exemplary embodiment for a test object according to FIG. 2,
  • 5 shows a flowchart to explain an exemplary embodiment of the new method
  • 6 shows a further flow chart for explaining an exemplary embodiment of the new method.
  • an embodiment of the new device is denoted by the reference numeral 10 in its entirety.
  • the device 10 has a manufacturing platform 12 on which workpieces 14, namely three exemplary workpieces 14a, 14b, 14c, are produced additively here.
  • the workpieces 14a, 14b, 14c are each built up in layers from bottom to top in sequential steps, a new layer of material being produced in each case on layers of the workpiece that are already present.
  • a currently uppermost layer of material is denoted by the reference number 16 in FIG. 1 .
  • a workpiece layer located further below is denoted by the reference number 18 .
  • the workpiece layers 18 are each produced from a material 20 in powder form.
  • the material 20 is here in a reservoir 22 and can be distributed from there on the production platform 12 with a layer formation tool.
  • a squeegee 24 is shown in simplified form in FIG. 1, which can be moved in the direction of arrow 26 in order to distribute a new material layer 16 with powdered material 20 over the production platform 12 and the workpiece layers 18 that have already been produced.
  • the powdered material 20 can then be selectively melted and/or melted using a structuring tool and in this way solidified to form a new workpiece layer.
  • the structuring tool includes a laser 28 that generates a laser beam 30 .
  • the laser beam 30 can be moved relative to the production platform 12 and therefore relative to the material layers 16, as is indicated in FIG. 1 with a ringför-shaped double arrow.
  • the reservoir 22 can be moved upwards in the direction of the arrow 32 here.
  • the manufacturing platform 12 can be lowered in the direction of the arrow 34 .
  • the unconsolidated powder particles remain with such
  • Device 10 during the manufacturing process on the manufacturing platform 12 and they form a largely closed powder bed, which is not shown here for reasons of clarity.
  • the workpiece layers 18 of the workpieces 14 are in the Embedded powder bed until the non-solidified powder material is removed from the manufacturing platform 12 at the end of the manufacturing process and the workpieces 14 are exposed.
  • the workpieces in contrast to the representation here—are held in the powder bed without direct contact with the manufacturing platform 12 .
  • the device 10 can have an electron beam or another structuring tool in other exemplary embodiments in order to produce workpiece layers 18 selectively on the production platform 12 .
  • the material 20 includes metallic powder particles.
  • material 20 may include plastic particles, such as polyamide.
  • the structuring tool can locally selectively discharge a workpiece material, for example in the manner of an inkjet printer or with the aid of a powder nozzle that ejects a powdered material.
  • the workpieces 14 each have a lateral
  • Workpiece dimension 36 which is smaller than a corresponding lateral platform dimension 38.
  • the term "lateral dimension” refers here to a length and/or area transverse and in particular perpendicular to the layer stack of workpiece layers 18, which grows upwards. Accordingly, the lateral measurements can be taken be lengths and/or area specifications here.
  • the reference number 40 designates a production region on the production platform 12, in which the workpiece 14c is produced in layers here.
  • One or more manufacturing regions 40 may be defined on the manufacturing platform 12 depending on the lateral workpiece dimensions of the workpiece to be manufactured.
  • the material layers 16 and the workpiece layers 18 resulting therefrom can have individual distortions depending on the respective production region 40 in which the layers are produced.
  • the individual distortions can include dimensional deviations in the lateral direction, in height (perpendicular to the production platform 12) and/or deviations in the flatness of the layers. ten.
  • the individual distortions can depend both on the lateral position of the respective fabrication region 40 relative to the fabrication platform 12 and on the height of the respective layer relative to the fabrication platform 12 .
  • the layer thickness perpendicular to the manufacturing platform 12 may vary depending on the particular manufacturing region 40 . Accordingly, exemplary embodiments of the new method implement a correction mechanism in order to achieve as uniform a dimensional accuracy and reproducibility of the workpieces 14 as possible.
  • the device 10 includes, in a manner known per se, a control unit 42 which is shown here with a processor 44 and a controller 46 .
  • the controller 46 generates control signals and controls the movement of the laser beam 30 relative to the production platform 12.
  • the controller 46 can control the movements of the production platform 12 in the direction of the arrow 34, the movement of the reservoir 22 in the direction of the arrow 32 and/or control the movement of the squeegee 24 in the direction of the arrow 26.
  • the controller 46 contains one or more driver stages, with which the laser 28 and various electrical drives (not shown here) are controlled.
  • the processor 44 represents a data processing unit here, with the help of which suitable control commands for the controller 46 and/or the driver stages mentioned are determined.
  • the processor 44 may be implemented using a commercially available personal computer running a suitable operating system such as Windows, OSX, Linux, and others.
  • a computer program (not shown here) is then executed with the aid of the processor 44 in order to implement exemplary embodiments of the new method with a device according to FIG. 1 .
  • the reference numeral 48 designates a first memory in which a first data set 50 is stored.
  • Reference number 52 designates a second memory in which a second data set 54 is stored.
  • the memories 48, 52 can be internal memories or external memories of the data processing unit, which is illustrated here with the processor 44.
  • the memories 48, 52 can be memory areas of an internal working memory RAM of the data processing unit illustrated with the processor 44.
  • the memory 48, 52 internal or external hard disk storage or storage areas on such a hard disk.
  • the memories 48, 52 can also be hard disk memories that are connected to the processor 44 via a network connection, such as an Ethernet connection.
  • the first data set 50 is a CAD
  • the first data set 50 can contain generic CAD data that describe the workpiece to be produced in its entirety, i.e. without the lateral workpiece layers arranged one on top of the other.
  • the processor 44 can then determine a corresponding data set with the plurality of lateral workpiece layers arranged one on top of the other based on the first data set from the memory 48 .
  • the first data set can contain reverse engineering data and/or data from a computed tomography recording, ie data which is obtained from an already existing pattern or a real design template.
  • the first data set 50 defines the workpiece 14 to be produced with its target properties.
  • the second data set 54 represents an individual distortion of the defined material or workpiece layers that is dependent on the respective manufacturing region 40 . It enables a preemptive correction of the individual location-dependent distortions in the course of the manufacturing process according to the exemplary embodiments of the new method.
  • the second data record 54 contains interpolation parameters which also enable the location-dependent distortions to be corrected individually if a currently selected production region 40 does not exactly match a production region previously detected using a test object.
  • FIG. 2 shows the device 10 from FIG. 1, in which case a large number of defined test objects are produced in the production regions 40 on the production platform 12 instead of the workpieces 14a, 14b, 14c.
  • the same reference symbols denote the same elements as in FIG. 1.
  • the test objects 56 can be used in the manner described below to determine the second data set 54.
  • the defined test objects are advantageously manufactured in a manufacturing process that precedes the manufacturing process of the workpieces 14 in principle in the same way as the workpieces 14, apart from the fact that a current second data set 54 is only available after the test objects 56 have been manufactured and measured stands.
  • the test objects 56 are built up here in layers from a powdered material 20 using the laser beam 30 from bottom to top.
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a test object from FIG. 2 in a somewhat larger representation.
  • the test object 56 here has a defined longitudinal extent 58 parallel to the production platform 12 and a defined longitudinal extent 60 perpendicular thereto.
  • the test object 56 has rod-shaped elements 62, 64, 66, which extend in three mutually orthogonal spatial directions, with the rod-shaped elements 62 and 64 in this case running parallel to the production platform 12, while the rod-shaped element 66 runs perpendicular thereto.
  • the rod-shaped elements 62, 64, 66 each have a defined nominal dimension which, for example, can be stored in CAD data in the first memory 48 (FIG. 2).
  • the actual extensions of the rod-shaped elements 62, 64, 66 deviate from the desired dimensions depending on the respective manufacturing region 40.
  • the individual location-dependent distortions in the three spatial directions, which are defined by the rod-shaped elements 62, 64, 66, can be determined on the basis of the respective differences between the actual dimensions and the respective desired values. Accordingly, in preferred exemplary embodiments of the new method, a multiplicity of test objects 56 are produced in a corresponding multiplicity of production regions 40 simultaneously or sequentially on the production platform 12 and subsequently measured in order to determine the respective location-dependent distortions.
  • the relative distance between the rod-shaped elements 62 and 62' can represent a location-dependent distortion perpendicular to the production platform 12 in the course of the production process, even if the longitudinal extension 60 of the test object 56 is in the range of the respective setpoint. This can be the case in particular if there are local distortions of the defined material layers from the respective height of the material layer depend on the production volume and/or vary in the course of the manufacturing process.
  • test objects 56 can be produced with an individual coding 68 in each case, which makes it possible to subsequently identify the production region 40 used in each case on the basis of the test object 56 itself.
  • the test objects 56 are measured in preferred embodiments of the new method after manufacture with a measuring device 70 in order to determine the individual test object dimensions 58, 60 and the associated deviations from the nominal dimensions.
  • the measurement data obtained are used to determine the second data set 54 .
  • the first data set 50 which represents, for example, CAD data of a workpiece 14 to be produced
  • the second data set 54 can be modified using the second data set 54, as is indicated at reference numeral 72 in FIG.
  • a modified first data set 74 can be determined, which to a certain extent represents an individual, location-dependent predistortion of the workpieces to be produced, depending on the production region selected in each case.
  • the modified first data set can then be used to determine the control signals for controlling the structuring tool 28, 30.
  • the second data set 54 can be used to determine modified control signals for the various manufacturing regions.
  • device 10 may include measuring device 70 as a mobile, e.g., handheld, 3D measuring device, or as a stationary measuring device.
  • the modified first data set 74 and/or the modified control signals 76 are preferably determined automatically using the measurement data from a large number of coded test objects 56 and using a respective current first data set 50 which represents a workpiece 14 to be produced.
  • the determination of the modified first data set 74 and/or the modified control signals 76 can be carried out with the aid of the processor 44 and/or in the controller 46 .
  • exemplary embodiments of the new method can contain method steps as are shown in simplified form in FIG.
  • steps 80, 82 test objects are manufactured in a multiplicity of manufacturing regions 40 on the manufacturing platform 12 .
  • steps 80, 82 test objects are manufactured in a multiplicity of manufacturing regions 40 on the manufacturing platform 12 .
  • step 80 a single test object can be manufactured in a selected manufacturing region on the manufacturing platform 12 and then, according to step 82, another test object can be manufactured in a different manufacturing region in a further manufacturing process.
  • several test objects can be produced simultaneously on the production platform in a production process.
  • a large number of test objects are produced in a number of production processes in a large number of production regions, with the selection of the respective production regions and/or the occupancy density of the test objects on the production platform 12 being able to vary from one production process to the next.
  • the test objects are each measured in step 84 in order to determine the location-dependent and/or form-dependent distortions of the respective material layers from the filling of the production platform.
  • the information obtained is aggregated in the second data set and stored in the memory 52 .
  • a second data set which can be read from the memory 52 according to step 88 .
  • a first data set is also obtained, which can represent, for example, CAD data of a workpiece to be produced.
  • a manufacturing region for the workpiece to be manufactured is selected using the second data set according to step 92 .
  • a suitable second data set can be selected from a large number of second data sets, which represent manufacturing scenarios that differ from one another next comes.
  • control signals for controlling the structuring tool are determined using the second data set.
  • control signals contain a predistortion of the workpiece to be produced, which is selected in such a way that the individual, location-dependent distortions of the material layers are compensated for and the workpiece produced corresponds to the target data according to the first data set with a high degree of dimensional accuracy and reproducibility.
  • the workpiece is now produced layer by layer in successive layers of the workpiece.
  • the workpiece produced is measured in some preferred exemplary embodiments after production in order to check the dimensional accuracy and reproducibility.
  • the second data record can be updated in accordance with step 102, so that a correspondingly updated second data record is obtained in further future manufacturing processes.

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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14a, 14b, 14c) mit lateralen Werkstückabmessungen (36) verwenden einen ersten Datensatz (50), der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (18) definiert. Auf einer Fertigungsplattform (12) mit lateralen Plattformabmessungen (38), die größer sind als die lateralen Werkstückabmessungen (36), wird eine Herstellungsregion (40) ausgewählt, an der das Werkstück (14) schichtweise hergestellt werden soll. Eine Vielzahl von definierten Materialschichten (16) werden unter Verwendung des ersten Datensatzes (50) erzeugt. Vorteilhaft wird ein zweiter Datensatz (54) verwendet, der einen von der Herstellungsregion (40) abhängigen Verzug der jeweiligen Materialschicht (16) repräsentiert. Die einzelnen Materialschichten (16) werden unter Verwendung des ersten Datensatzes (50) und unter Verwendung des zweiten Datensatzes (54) erzeugt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines
Werkstücks, mit Schritten: a) Erhalten eines ersten Datensatzes, der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert, b) Auswählen einer Herstellungsregion auf einer Fertigungsplattform mit lateralen Plattformabmessungen, die größer sind als die lateralen Werkstückabmessungen, wobei die Herstellungsregion einen Abschnitt der Fertigungsplattform definiert, an dem das Werkstück schichtweise hergestellt werden soll, c) Erzeugen einer definierten Materialschicht in der Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform unter Verwendung des ersten Datensatzes, wobei mit der Ma- terialschicht eine definierte Werkstückschicht aus der Vielzahl von aufeinander an geordneten Werkstückschichten erzeugt wird, und d) Wiederholen des Schrittes c), wobei weitere definierte Werkstückschichten aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt werden.
[0002] Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks mit lateralen Werkstückabmessungen, mit einer Fertigungsplattform mit lateralen Platt formabmessungen, die größer sind als die lateralen Werkstückabmessungen, mit einem Strukturierungswerkzeug, das relativ zu der Fertigungsplattform bewegbar ist, mit einem ersten Speicher, der dazu eingerichtet ist, einen ersten Datensatz zu erhalten, der das Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten definiert, und mit einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug unter Verwendung des ersten Datensatzes relativ zu der Fertigungsplattform zu bewegen, um schrittweise eine Vielzahl von Materialschichten in einer Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform zu erzeugen, wobei mit jeder Materialschicht aus der Vielzahl von Materialschichten eine definierte Werkstückschicht aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt wird.
[0003] Additive Verfahren zur Herstellung von Werkstücken werden zum Teil als 3D-Druck bezeichnet. Es gibt verschiedene additive Herstellungsverfahren. Beim sogenannten selektiven Lasersintern (SLS) oder selektiven Laserschmelzen (SLM) wird ein sogenann tes Pulverbett mit einer Vielzahl von flächig verteilten Pulverpartikeln verwendet. Häufig handelt es sich um metallische Pulverpartikel. Es können jedoch auch Kunststoffpartikel bzw. Polymere sein, etwa aus Polyamid (PA) oder Polymethylmethacrylat (PMMA). Ausgewählte Pulverpartikel in dem Pulverbett werden mithilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen angeschmolzen und/oder aufgeschmolzen und verbinden sich infolgedessen miteinander. Beim sogenannten Binder Jetting wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial an ausgewählten Stellen mit einem flüssigen Binder verklebt. Damit kann jeweils eine gewünschte Werkstückschicht selektiv in dem Pulverbett hergestellt werden. Nach der Herstellung einer solchen Werkstückschicht wird eine neue Pulverschicht auf dem Pulverbett verteilt und es kann eine weitere Werkstückschicht selektiv hergestellt werden. Insgesamt wird das Werkstück somit schichtweise aus aufeinander angeordneten Werkstückschichten aufgebaut. Bei anderen additiven Verfah ren zur Herstellung von Werkstücken kann ein Werkstückmaterial selektiv auf einer Fertigungsplattform ausgebracht werden, um eine Werkstück schichtweise herzustellen. Das Werkstückmaterial kann beispielsweise ein geschmolzener Kunststoff sein.
[0004] Üblicherweise besitzt die Fertigungsplattform laterale Abmessungen, die größer sind als die lateralen Abmessungen des herzustellenden Werkstücks, damit die Fertigungsplatt form das Werkstück während der Herstellung ohne Überhang stützen kann. Dementspre chend muss zumindest implizit eine individuelle Herstellungsregion auf der Fertigungs plattform für jedes Werkstück ausgewählt werden, wenn ein Herstellungsprozess initiiert wird.
[0005] US 10,220,566 B2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art und schlägt vor, ausgewählte Materialschichten bereits im Prozessverlauf zu messen, um in Abhängigkeit davon ggf. Anpassungen bei der Herstellung den nachfolgenden Werkstückschichten vorzunehmen. Auf diese Weise können Herstellungsfehler frühzeitig erkannt und noch im Prozessverlauf korrigiert werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass Schwankungen bei diversen Prozessparametern es schwierig machen, ein Werkstück mit hohen Anforderungen in Bezug auf Maßhaltigkeit, Reproduzierbarkeit und Belastbarkeit herzustellen.
[0006] WO 2019/206903 A1 offenbart ein weiteres Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks sowie eine entsprechende Vorrichtung, wobei dimensionale und/oder geo metrische Eigenschaften einer Werkstückschicht im Prozessverlauf gemessen werden, um die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des Herstellungsprozesses zu verbessern.
[0007] WO 2018/064349 A1 offenbart ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks, wobei in den CAD-Daten des Werkstücks sogenannte Modellmarker hinzugefügt werden. Zusammen mit der Herstellung des Werkstücks wurden physische Marker hergestellt. Abweichungen zwischen den Positionen der Modellmarker in den CAD-Daten und den Positionen der physischen Marker in einem 3D-Scannerbild werden bestimmt, um korri gierte Druckbefehle zu erzeugen. [0008] WO 2018/234331 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks, wobei Messergebnisse an dem Werkstück mit dem Ergeb nis einer Simulation der Messung verglichen werden.
[0009] WO 2020/094732 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Inspizieren der Oberfläche eines Pulverbettes, um möglichst homogene Werkstückschichten bei der additiven Herstellung eines Werkstücks zu erhalten und Risse, Poren, Dellen und anderes zu vermeiden.
[0010] Aus der Publikation Wegner A, Witt G (2013), Ursachen für mangelnde Reproduzierbarkeit beim Laser-Sintern von Kunststoffbauteilen, RTejournal-Forum für Rapid Technologie, Vol. 2013, zu finden auf https://www.rtejournal.de/ausgabe10/3818, ist es bekannt, dass die inhomogene Temperaturführung während des Herstellungspro zesses beim Lasersintern von Kunststoffbauteilen Ursache für mangelnde Reproduzier barkeit und Maßhaltigkeit sein kann. Vorgeschlagen wird hier ein neues Temperaturfüh rungssystem, das zu homogeneren Temperatur- und Abkühlbedingungen führen soll.
[0011] Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen die Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit von additiv hergestellten Werkstücken auf kostengünstige Weise verbessert werden kann.
[0012] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei vor dem Schritt c) ein zweiter Daten satz erhalten wird, der einen von der Herstellungsregion abhängigen Verzug der definier ten Materialschichten repräsentiert, und wobei die definierte Materialschicht unter Ver wendung des ersten Datensatzes und unter Verwendung des zweiten Datensatzes erzeugt wird.
[0013] Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, mit einem zweiten Speicher, der dazu eingerichtet ist, einen zweiten Datensatz zu erhalten, wobei der zweite Datensatz einen von der Herstel- lungsregion abhängigen Verzug der definierten Werkstückschichten repräsentiert, und wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug unter Verwen dung des ersten Datensatzes und unter Verwendung des zweiten Datensatzes relativ zu der Fertigungsplattform zu bewegen.
[0014] Besonders vorteilhaft wird das genannte Verfahren mithilfe eines Computerprogramms mit Programmcode implementiert, der auf der Steuereinheit einer Vorrichtung der genann ten Art ausgeführt werden kann.
[0015] Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung basieren auf der Erkenntnis, dass die individuelle Herstellungsregion eines Werkstücks auf der Fertigungsplattform zu einem von der Herstellungsregion abhängigen individuellen Verzug der additiv hergestellten Materialschichten führen kann. Der individuelle Verzug führt zu dimensionalen und/oder geometrischen Abweichungen der hergestellten Werkstückschicht im Vergleich zu den Sollabmessungen der Werkstückschicht, die sich aus dem ersten Datensatz ergeben. Infolgedessen kann die Maßhaltigkeit eines additiv hergestellten Werkstücks von der jeweils ausgewählten individuellen Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform abhän- gen. Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung verwenden einen zweiten Datensatz, der ortsabhängige Verzüge, insbesondere ortsabhängige dimensionale und/oder geometrische Abweichungen im Vergleich zu den jeweiligen Sollabmessungen, der additiv hergestellten Werkstückschichten im Fertigungsvolumen auf der Fertigungs plattform repräsentiert. In einigen Ausführungsbeispielen kann der zweite Datensatz ortsabhängige Verzüge der additiv hergestellten Materialschichten in jeweils drei zueinan der orthogonalen Raumrichtungen repräsentieren. Vorteilhaft können die jeweils drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen zwei orthogonale Raumrichtungen parallel zu der Fertigungsplattform sowie eine dritte Raumrichtung senkrecht zu der Fertigungsplatt form beinhalten. In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann der zweite Daten satz daher ortsabhängige Verzüge der additiv hergestellten Materialschichten bezogen auf eine Vielzahl von Raumvolumina (Voxeln) im Fertigungsvolumen auf bzw. oberhalb der Fertigungsplattform repräsentieren.
[0016] Die von der jeweiligen Herstellungsregion abhängigen individuellen Verzüge können verschiedene Ursachen haben. Hierzu gehören inhomogene Temperaturverteilungen und/oder Temperaturverläufe innerhalb des Fertigungsvolumens. Beispielsweise können seitliche Begrenzungswände an der Fertigungsplattform, die zum Begrenzen eines Pulverbettes dienen, den zeitlichen und räumlichen Temperaturverlauf innerhalb des Fertigungsvolumens beeinflussen, so dass abhängig von der Entfernung einer Herstel lungsregion zu den seitlichen Begrenzungswänden eine höhere oder niedrigere Prozess temperatur, eine schnellere oder langsamere Aufheizung und/oder eine schnellere oder langsamere Abkühlung auftritt. Auch die Anzahl und seitlichen Abstände von mehreren zeitgleich hergestellten Werkstücken auf der Fertigungsplattform kann die zeitliche und räumliche Temperaturverteilung beeinflussen. Darüber hinaus kann die Präzision, mit der das Strukturierungswerkzeug relativ zu der Fertigungsplattform bewegbar ist, abhängig von der jeweiligen Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform variieren. Das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung machen es möglich, derartige ortsabhängi ge Prozessvariationen schon früh im Herstellungsprozess zu berücksichtigen und ggf. notwendige Prozesskorrekturen durchzuführen. Eine solche Korrektur kann ggf. zusätzlich zu anderen Maßnahmen durchgeführt werden, die der Verbesserung der Reproduzierbar keit und Maßhaltigkeit von additiv hergestellten Werkstücken dienen, wie etwa der frühzei tigen Inspektion eines Pulverbetts vor dem jeweiligen Strukturieren einer Werkstück schicht. Der zweite Datensatz kann in einigen Ausführungsbeispielen ohne umfangreiche Modifikationen an der Hardware bereits verwendeter Vorrichtungen bereitgestellt und erhalten werden. Daher kann das neue Verfahren in einigen Fällen auch kostengünstig auf bereits verwendeten Vorrichtungen implementiert werden, insbesondere mit Hilfe des oben genannten Computerprogramms. Dementsprechend tragen das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung vorteilhaft dazu bei, die Maßhaltigkeit und Reproduzier barkeit von additiv hergestellten Werkstücken auf kostengünstige Weise zu verbessern. Die oben genannte Aufgabe ist vollständig gelöst.
[0017] In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die definierte Materialschicht mit Hilfe eines Strukturierungswerkzeugs erzeugt, das unter Verwendung des ersten Daten satzes und unter Verwendung des zweiten Datensatzes relativ zu der Fertigungsplattform bewegt wird.
[0018] In dieser Ausgestaltung wird der Prozess zur Herstellung einer definierten Materialschicht, wie er sich zunächst anhand des ersten Datensatzes ergibt, unter Verwendung des zweiten Datensatzes modifiziert, um auf diese Weise ortsabhängigen individuellen Verzügen der definierten Materialschicht entgegenzuwirken. Die Modifikation wird gewis sermaßen in einen herkömmlichen Prozessablauf integriert. In Abhängigkeit von der jeweils gewählten Herstellungsregion wird das Strukturierungswerkzeug mit zum Teil anderen Bewegungsparametern relativ zu der Fertigungsplattform bewegt als ohne den zweiten Datensatz. Das Strukturierungswerkzeug kann beispielsweise ein Laserstrahl, ein Elektronenstrahl, ein Schmelzkopf, eine Heißluftdüse oder ein anderes Werkzeug sein, mit dessen Hilfe eine Werkstückschicht selektiv auf einer Fertigungsplattform hergestellt werden kann. Die anderen bzw. modifizierten Bewegungsparameter können eine schnel lere oder langsamere Bewegung des Strukturierungswerkzeugs relativ zu der Fertigungs plattform, eine modifizierte Trajektorie und/oder modifizierte, andere Prozesstemperaturen beinhalten. Die Ausgestaltung ermöglicht eine kostengünstige Implementierung des neuen Verfahrens für eine Vielzahl von Werkstücken.
[0019] In einer weiteren Ausgestaltung werden mehrere typgleiche Werkstücke zeitgleich in mehreren Herstellungsregionen auf der Fertigungsplattform in einem kombinierten Herstellungsprozess hergestellt, wobei für jedes der Werkstücke individuell modifizierte Prozessparameter unter Verwendung des zweiten Datensatzes bestimmt und verwendet werden.
[0020] Mit dieser Ausgestaltung können mehrere typgleiche Werkstücke mit hoher Effizienz und Maßhaltigkeit sehr kostengünstig hergestellt werden.
[0021] In einer weiteren Ausgestaltung wird der erste Datensatz unter Verwendung des zweiten Datensatzes modifiziert, um einen modifizierten ersten Datensatz zu erzeugen, wobei das Strukturierungswerkzeug in Abhängigkeit von dem modifizierten ersten Datensatz relativ zu der Fertigungsplattform bewegt wird.
[0022] In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen beinhaltet der erste Datensatz CAD-Daten des herzustellenden Werkstücks. Diese CAD-Daten können in der vorliegenden Ausge staltung unter Verwendung des zweiten Datensatzes so modifiziert werden, dass die in einer Herstellungsregion tatsächlich hergestellten Werkstückschichten die gewünschte Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit aufweisen. Gewissermaßen werden die CAD-Daten unter Verwendung des zweiten Datensatzes individuell und von der Herstellungsregion abhängig verzerrt, so dass für jede Herstellungsregion ein individuell modifizierter CAD- Datensatz zur Verfügung steht. Die Werkstückschichten werden in Abhängigkeit von der gewählten Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform mit dem jeweils individuell modifizierten CAD-Datensatz hergestellt. Die Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die ortsabhängige Korrektur der Werkstückschichten "sehr weit vorne" im Herstellungspro zess und weitgehend unabhängig von der Hardware der verwendeten Vorrichtung erfol gen kann. Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung lassen sich daher sehr einfach und kostengünstig implementieren und in bereits verwendeten Vorrichtungen nachrüsten. Besonders vorteilhaft kann die Modifizierung des ersten Datensatzes vollständig vor dem Herstellungsschritt c) erfolgen.
[0023] In einer weiteren Ausgestaltung werden in Abhängigkeit von dem ersten Datensatz erste Steuersignale bestimmt, mit denen das Strukturierungswerkzeug relativ zu der Ferti gungsplattform bewegt werden kann, wobei die ersten Steuersignale in Abhängigkeit von dem zweiten Datensatz modifiziert werden, um modifizierte Steuersignale zu erzeugen, und wobei das Strukturierungswerkzeug in Abhängigkeit von den modifizierten Steuersig nalen relativ zu der Fertigungsplattform bewegt wird.
[0024] In dieser Ausgestaltung, die alternativ oder ergänzend zu der vorgenannten
Ausgestaltung verwendet werden kann, wird die Korrektur der ortsabhängigen individuel len Verzüge mithilfe von modifizierten Steuersignalen erreicht. Insbesondere können dies Steuersignale sein, mit denen das Strukturierungswerkzeug angesteuert wird. Die Ausge staltung ist besonders vorteilhaft, wenn die Steuerung des Strukturierungswerkzeugs ohnehin unter Verwendung von individuellen Kalibrierdaten erfolgt, wenn also abhängig von der verwendeten Vorrichtung und/oder aktuellen Umgebungsparametern verschiede ne Steuersignale aus einem definierten CAD-Datensatz erzeugt werden. In einigen Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung wird das Strukturierungswerkzeug mit einem geschlossenen Regelkreis relativ zu der Fertigungsplattform bewegt und die Modifikation der ersten Steuersignale kann die Modifikation eines Antriebsstroms oder einer Betriebs spannung beinhalten. [0025] In einer weiteren Ausgestaltung werden vor dem Schritt c) eine Vielzahl von definierten Testobjekten räumlich verteilt auf der Fertigungsplattform schichtweise hergestellt, wobei der zweite Datensatz mithilfe der Vielzahl von definierten Testobjekten bestimmt wird.
[0026] In dieser Ausgestaltung wird der von der Herstellungsregion abhängige Verzug der definierten Materialschichten anhand der Schichten der Testobjekte bestimmt. Die Ausge staltung ermöglicht eine recht einfache und effiziente Bestimmung des zweiten Datensat zes für eine Vielzahl von Herstellungsregionen. In einigen bevorzugten Ausführungsbei spielen werden eine Vielzahl von zweiten Datensätzen bestimmt, die sich in Bezug auf die Anzahl und Verteilung der Testobjekte im Fertigungsvolumen unterscheiden. Beispiels weise kann eine erste Vielzahl von zweiten Datensätzen bestimmt werden, wobei jeweils ein Testobjekt an einer anderen Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform hergestellt wird. Die erste Vielzahl von zweiten Datensätzen repräsentiert somit ortsabhängige Verzüge der Materialschichten für diejenigen Fälle, in denen jeweils nur ein Werkstück in einem Herstellungsprozess hergestellt wird. In einem weiteren Schritt kann ein zweiter Datensatz bestimmt werden, in dem mehrere Testobjekte auf der Fertigungsplattform zeitgleich hergestellt werden. In diesem Fall repräsentiert der zweite Datensatz ortsab hängige Verzüge der Materialschichten und zusätzlich die Abhängigkeit der ortsabhängi gen Verzüge von der Belegung der Fertigungsplattform und/oder der Ausnutzung des Fertigungsvolumens. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen werden eine Vielzahl von zweiten Datensätzen erhalten, die eine Vielzahl von verschiedenen Herstellungssze narien repräsentieren, wobei sich die verschiedenen Herstellungsszenarien in der Anzahl und räumlichen Verteilung von Testobjekten innerhalb des Fertigungsvolumens unter scheiden. Vorteilhaft kann für die additive Herstellung eines bestimmten Werkstücks dann jeweils derjenige zweite Datensatz aus der Vielzahl von zweiten Datensätzen ausgewählt werden, der dem aktuellen Herstellungsszenario in Bezug auf die Anzahl und Verteilung der Werkstücke am nächsten kommt. Die Ausgestaltung ermöglicht eine signifikante Verbesserung von Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit bei der additiven Herstellung von Werkstücken.
[0027] In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Vielzahl von definierten Testobjekten jeweils eine definierte Längsausdehnung senkrecht zu der Fertigungsplattform. [0028] In dieser Ausgestaltung können die definierten Testobjekte vorteilhaft jeweils ein stabförmiges Element besitzen, das auf der Fertigungsplattform schichtweise von unten nach oben hergestellt wird. Die Ausgestaltung macht es möglich, ortsabhängige Variatio nen im Verlauf der Prozessfolge auf recht einfache und effiziente Weise zu bestimmen.
Da sich der kumulierte Wärmeeintrag in das herzustellende Werkstück mit zunehmender Anzahl der Werkstückschichten erhöht und darüber hinaus kristallisationsbedingte Dich teänderungen auftreten können, können im Verlauf der Schichtenfolge variierende ortsabhängige Verzüge auftreten. Die Verwendung von Testobjekten mit jeweils definier ter Längsausdehnung erlaubt es, derartige Variationen nach der Entnahme der Testobjek te von der Fertigungsplattform auf recht einfache und effiziente Weise zu bestimmen.
[0029] In einer weiteren Ausgestaltung besitzt die Vielzahl von definierten Testobjekten jeweils eine definierte Längsausdehnung parallel zu der Fertigungsplattform.
[0030] In dieser Ausgestaltung können die Testobjekte vorteilhaft jeweils stabartige Elemente besitzen, die sich im Wesentlichen parallel zu der Fertigungsplattform erstrecken. In einigen Ausführungsbeispielen besitzen die definierten Testobjekte stabartige Elemente, die eine oder mehrere Ebenen parallel zu der Fertigungsplattform aufspannen. In einigen Ausführungsbeispielen beinhalten die Testobjekte Strukturen mit orthogonal zu einander verlaufenden Stäben, von denen sich einige parallel zu der Fertigungsplattform erstrecken und zumindest ein weiterer Stab senkrecht zu der Fertigungsplattform verläuft. Diese Ausgestaltung ermöglicht auf einfache und effiziente Weise die Bestimmung von ortsab hängigen Verzügen parallel zu der Fertigungsplattform und - in bevorzugten Ausfüh rungsbeispielen - in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen. Der zweite Datensatz kann so für eine Vielzahl von individuellen ortsabhängigen Verzügen auf einfache und effiziente Weise bestimmt werden. Die Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit der Werk stücke kann für eine Vielzahl von Herstellungsregionen und Prozessparameter verbessert werden.
[0031] In einer weiteren Ausgestaltung werden die Vielzahl von definierten Testobjekten jeweils mit einer individuellen Codierung hergestellt, die eine jeweilige Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform repräsentiert, wobei der zweite Datensatz unter Verwendung der individuellen Codierungen bestimmt wird. [0032] In dieser Ausgestaltung unterscheiden sich die definierten Testobjekte insoweit voneinander, dass bereits anhand des jeweiligen Testobjekts ein Rückschluss auf die jeweilige Herstellungsregion möglich ist. Die individuelle Codierung kann beispielsweise Erhebungen und Vertiefungen beinhalten, die nach Art eines Barcodes oder eines QR- Codes eine Information in Bezug auf die jeweilige Herstellungsregion auf der Fertigungs plattform codieren. In weiteren Ausgestaltungen kann eine Vielzahl von Testobjekten mit einer gemeinsamen Haltestruktur hergestellt werden, wobei die jeweilige Position eines Testobjekts innerhalb der gemeinsamen Haltestruktur die jeweilige Herstellungsregion codiert. Die Ausgestaltung erleichtert die Bestimmung des zweiten Datensatzes und trägt zu einer effizienten Implementierung des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung bei.
[0033] In einer weiteren Ausgestaltung werden die Vielzahl von definierten Testobjekten jeweils mit einem Messgerät gemessen, um individuelle Testobjektabmessungen zu bestimmen, wobei der zweite Datensatz in Abhängigkeit von den Testobjektabmessungen bestimmt wird.
[0034] In einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird der zweite Datensatz in Abhängigkeit von den Testobjektmessungen automatisiert bestimmt. Vorteilhaft können die individuel len Codierungen mit den individuellen Testobjektabmessungen korreliert werden. Das Messgerät kann in einigen Ausführungsbeispielen ein integriertes Messgerät der neuen Vorrichtung sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Messgerät einen stationä ren oder ein mobilen 3D-Scanner beinhalten, mit dem die definierten Testobjekte nach ihrer Entnahme von der Fertigungsplattform gemessen werden. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen können die Testobjekte in einen speziellen Testobjekthalter eingesetzt werden, der eine definierte und reproduzierbare Testobjektposition während der Messung gewährleistet. Die individuellen Testobjektabmessungen können mit Sollabmessungen der Testobjekte, insbesondere in Form von CAD-Daten, verglichen werden, um die individuellen ortsabhängigen Verzüge der Werkstückschichten zu be stimmen. Die Ausgestaltung ermöglicht eine sehr effiziente Bestimmung des zweiten Datensatzes oder eine sehr effiziente Bestimmung von mehreren zweiten Datensätzen, die eine Vielzahl von ortsabhängigen Verzügen und Prozessszenarien repräsentieren. [0035] In einer weiteren Ausgestaltung wird die Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform in Abhängigkeit von dem zweiten Datensatz ausgewählt.
[0036] In einigen Ausführungsbeispielen dieser Ausgestaltung kann das Auswählen der
Herstellungsregion beinhalten, dass aus einer Vielzahl von zweiten Datensätzen ein bestimmter zweiter Datensatz ausgewählt wird, der dem aktuellen Herstellungsszenario für das herzustellende Werkstück in Bezug auf die Werkstückabmessungen und/oder die Anzahl der zeitgleich herzustellenden Werkstücke am nächsten kommt. In Abhängigkeit von dem ausgewählten zweiten Datensatz kann dann diejenige Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform ausgewählt werden, die eine besonders hohe Maßhaltigkeit und/oder Reproduzierbarkeit für das aktuelle Herstellungsszenario verspricht. Die Ausge staltung trägt vorteilhaft dazu bei, die Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit von additiv hergestellten Werkstücken zu verbessern, da die individuelle Platzierung und räumliche Verteilung der herzustellenden Werkstücke auf einfache Weise optimiert werden kann.
[0037] In einer weiteren Ausgestaltung wird das Werkstück nach der Herstellung mit einem
Messgerät gemessen, um individuelle Werkstückabmessungen zu bestimmen, wobei der zweite Datensatz in Abhängigkeit von den individuellen Werkstückabmessungen modifi ziert wird.
[0038] In dieser Ausgestaltung wird der zweite Datensatz anhand von realen Werkstücken aus früheren Herstellungsprozessen bestimmt. Informationen in Bezug auf die Maßhaltigkeit des nach dem neuen Verfahren hergestellten Werkstücks werden also für die Herstellung zukünftiger Werkstücke berücksichtigt und insbesondere nach Art eines geschlossenen Regelkreises in einen zukünftigen Herstellungsprozess zurückgeführt. Die Ausgestaltung trägt dazu bei, einen adaptiven und sich selbst optimierenden Herstellungsprozess zu etablieren. Sie besitzt den Vorteil, dass Veränderungen der Prozessparameter auch über längere Zeiträume berücksichtigt werden und insgesamt eine hohe Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit über lange Produktionszeiträume erreicht wird.
[0039] In einer weiteren Ausgestaltung wird die definierte Materialschicht im Schritt c) mithilfe des Strukturierungswerkzeugs verfestigt. [0040] In dieser Ausgestaltung ist das Strukturierungswerkzeug dazu eingerichtet, fließfähige und/oder rieselfähige Materialien, wie insbesondere Metallpulver oder Kunststoffpartikel, selektiv aneinander zu binden und so verfestigen. Die Ausgestaltung bezieht sich daher auf Verfahren und Vorrichtungen zur additiven Herstellung von Werkstücken, bei denen die einzelnen Werkstückschichten nahezu beliebige Formen annehmen können. Bei solchen Verfahren können ortsabhängige Verzüge in besonderem Maße auftreten. Die Ausgestaltung trägt daher dazu bei, bei derartigen Verfahren, wie insbesondere dem selektiven Lasersintern und selektiven Laserschmelzen, eine hohe Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit der Werkstücke zu erreichen.
[0041] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0042] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der neuen Vorrich tung mit einer Vielzahl von herzustellenden Werkstücken,
Fig. 2 die Vorrichtung aus Fig. 1 mit einer Vielzahl von definierten Testobjekten,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein Testobjekt gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung,
Fig. 5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens, und Fig. 6 ein weiteres Flussdiagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des neuen Verfahrens.
[0043] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 besitzt eine Fertigungsplattform 12, auf der hier Werkstücke 14, nämlich drei beispielhafte Werkstücke 14a, 14b, 14c additiv hergestellt werden. Die Werkstücke 14a, 14b, 14c werden jeweils in zeitlich aufeinander folgenden Schritten schichtweise von unten nach oben aufgebaut, wobei jeweils eine neue Materialschicht auf bereits vorhandenen Werkstückschichten hergestellt wird. In Fig. 1 ist eine aktuell oberste Materialschicht mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet. Eine weiter unten liegende Werkstückschicht ist mit der Bezugsziffer 18 bezeichnet.
[0044] In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Werkstückschichten 18 jeweils aus einem pulverförmigen Material 20 hergestellt. Das Material 20 befindet sich hier in einem Reservoir 22 und kann von dort mit einem Schichtbildungswerkzeug auf der Fertigungs plattform 12 verteilt werden. Vereinfacht ist in Fig. 1 ein Rakel 24 dargestellt, der in Richtung des Pfeils 26 bewegt werden kann, um eine neue Materialschicht 16 mit pulver förmigem Material 20 über der Fertigungsplattform 12 und den bereits hergestellten Werkstückschichten 18 zu verteilen. Das pulverförmige Material 20 kann dann mithilfe eines Strukturierungswerkzeugs selektiv an- und/oder aufgeschmolzen werden und auf diese Weise zu einer neuen Werkstückschicht verfestigt werden. In dem Ausführungsbei spiel gemäß Fig. 1 beinhaltet das Strukturierungswerkzeug einen Laser 28, der einen Laserstrahl 30 erzeugt. Der Laserstrahl 30 ist relativ zu der Fertigungsplattform 12 und daher relativ zu den Materialschichten 16 bewegbar, wie dies in Fig. 1 mit einem ringför migen Doppelpfeil angedeutet ist. Um die Herstellung einer neuen Materialschicht mit dem Rakel 24 zu erleichtern, kann das Reservoir 22 hier in Richtung des Pfeils 32 nach oben bewegt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Fertigungsplattform 12 in Richtung des Pfeils 34 abgesenkt werden.
[0045] Typischerweise verbleiben die nicht verfestigten Pulverpartikel bei einer solchen
Vorrichtung 10 während des Herstellungsprozesses auf der Fertigungsplattform 12 und sie bilden ein weitgehend geschlossenes Pulverbett, das hier aus Gründen der Übersicht lichkeit nicht dargestellt ist. Die Werkstückschichten 18 der Werkstücke 14 sind in dem Pulverbett eingebettet, bis das nicht verfestigte Pulvermaterial zum Abschluss des Her stellungsprozesses von der Fertigungsplattform 12 entfernt wird und die Werkstücke 14 freigelegt werden. Insbesondere bei der Herstellung von Werkstücken aus Kunststoffpar- tikeln/Polymeren ist es möglich, dass die Werkstücke - abweichend von der hiesigen Darstellung - ohne direkten Kontakt zu der Fertigungsplattform 12 in dem Pulverbett gehalten sind.
[0046] Abweichend von dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung 10 in anderen Ausführungsbeispielen einen Elektronenstrahl oder ein anderes Strukturierungs werkzeug aufweisen, um Werkstückschichten 18 selektiv auf der Fertigungsplattform 12 herzustellen. Das Material 20 beinhaltet in einigen Ausführungsbeispielen metallische Pulverpartikel. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Material 20 Kunststoffpartikel beinhalten, etwa aus Polyamid. Darüber hinaus kann das Strukturierungswerkzeug in weiteren Ausführungsbeispielen ein Werkstückmaterial lokal selektiv ausbringen, etwa nach Art eines Tintenstrahldruckers oder mit Hilfe einer Pulverdüse, die ein pulverförmi ges Material ausstößt.
[0047] Wie in Fig. 1 angedeutet ist, besitzen die Werkstücke 14 jeweils eine laterale
Werkstückabmessung 36, die kleiner ist als eine entsprechende laterale Plattformabmes sung 38. Die Bezeichnung "laterale Abmessung" bezieht sich hier auf eine Länge und/oder Fläche quer und insbesondere senkrecht zu dem nach oben anwachsenden Schichtstapel der Werkstückschichten 18. Dementsprechend können die lateralen Ab messungen hier Längen und/oder Flächenangaben sein.
[0048] Mit der Bezugsziffer 40 ist eine Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform 12 bezeichnet, in der hier das Werkstück 14c schichtweise hergestellt wird. In Abhängigkeit von den lateralen Werkstückabmessungen des herzustellenden Werkstücks können auf der Fertigungsplattform 12 eine oder mehrere Herstellungsregionen 40 definiert sein. Wie bereits eingangs angedeutet, können die Materialschichten 16 und die daraus resultieren den Werkstückschichten 18 abhängig von der jeweiligen Herstellungsregion 40, in der die Schichten hergestellt werden, individuelle Verzüge aufweisen. Die individuellen Verzüge können dimensionale Abweichungen in lateraler Richtung, in der Höhe (senkrecht zur Fertigungsplattform 12) und/oder Abweichungen in der Ebenheit der Schichten beinhal- ten. Die individuellen Verzüge können sowohl von der lateralen Position der jeweiligen Herstellungsregion 40 relativ zu der Fertigungsplattform 12 als auch von der Höhe der jeweiligen Schicht relativ zu der Fertigungsplattform 12 abhängen. In einigen Fällen kann insbesondere die Schichtdicke senkrecht zu der Fertigungsplattform 12 in Abhängigkeit von der jeweiligen Herstellungsregion 40 variieren. Dementsprechend implementieren Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens einen Korrekturmechanismus, um eine möglichst einheitliche Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit der Werkstücke 14 zu erreichen.
[0049] Die Vorrichtung 10 beinhaltet in an sich bekannter Weise eine Steuereinheit 42, die hier mit einem Prozessor 44 und einer Steuerung 46 dargestellt ist. Die Steuerung 46 erzeugt Steuersignale und steuert hier insbesondere die Bewegung des Laserstrahls 30 relativ zu der Fertigungsplattform 12. Darüber hinaus kann die Steuerung 46 die Bewegungen der Fertigungsplattform 12 in Richtung des Pfeils 34, die Bewegung des Reservoirs 22 in Richtung des Pfeils 32 und/oder die Bewegung des Rakels 24 in Richtung des Pfeils 26 steuern. In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet die Steuerung 46 eine oder mehrere Treiberstufen, mit denen der Laser 28 und diverse elektrische Antriebe (hier nicht darge stellt) angesteuert werden. Der Prozessor 44 repräsentiert hier eine Datenverarbeitungs einheit, mit deren Hilfe geeignete Steuerbefehle für die Steuerung 46 und/oder die ge nannten Treiberstufen bestimmt werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann der Prozessor 44 mithilfe eines handelsüblichen PC implementiert sein, auf dem ein geeigne tes Betriebssystem, wie etwa Windows, OSX, Linux, u.a. implementiert ist. Mithilfe des Prozessors 44 wird dann ein Computerprogramm (hier nicht dargestellt) ausgeführt, um Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 zu implementieren.
[0050] Mit der Bezugsziffer 48 ist ein erster Speicher bezeichnet, in dem ein erster Datensatz 50 gespeichert ist. Mit der Bezugsziffer 52 ist ein zweiter Speicher bezeichnet, in dem ein zweiter Datensatz 54 gespeichert ist. Die Speicher 48, 52 können interne Speicher oder externe Speicher der Datenverarbeitungseinheit sein, die hier mit dem Prozessor 44 veranschaulicht ist. Beispielsweise können die Speicher 48, 52 Speicherbereiche eines internen Arbeitsspeichers RAM der mit dem Prozessor 44 veranschaulichten Datenverar beitungseinheit sein. Alternativ oder ergänzend können die Speicher 48, 52 interne oder externe Festplattenspeicher oder Speicherbereiche auf einer solchen Festplatte sein. Prinzipiell können die Speicher 48, 52 auch Festplattenspeicher sein, die über eine Netzwerkverbindung, wie etwa eine Ethernet-Verbindung, mit dem Prozessor 44 verbun den sind.
[0051] Der erste Datensatz 50 ist in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen ein CAD-
Datensatz, der das herzustellende Werkstück in einer Vielzahl von aufeinander angeord neten lateralen Werkstückschichten 18 definiert. Alternativ oder ergänzend kann der erste Datensatz 50 generische CAD-Daten beinhalten, die das herzustellende Werkstück in seiner Gesamtheit, d.h. ohne die aufeinander angeordneten lateralen Werkstückschichten beschreiben. Der Prozessor 44 kann dann einen korrespondierenden Datensatz mit der Vielzahl von aufeinander angeordneten lateralen Werkstückschichten anhand des ersten Datensatzes aus dem Speicher 48 bestimmen. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der erste Datensatz Reverse Engineering Daten und/oder Daten aus einer Computerto mographieaufnahme beinhalten, mithin also Daten, die an einem bereits vorhandenen Muster oder einer realen Designvorlage gewonnen werden. In allen bevorzugten Ausfüh rungsbeispielen definiert der erste Datensatz 50 das herzustellende Werkstück 14 mit seinen Solleigenschaften.
[0052] Der zweite Datensatz 54 repräsentiert einen von der jeweiligen Herstellungsregion 40 abhängigen individuellen Verzug der definierten Material- bzw. Werkstückschichten. Er ermöglicht eine präemptive Korrektur der individuellen ortsabhängigen Verzüge im Verlauf des Herstellungsprozesses entsprechend den Ausführungsbeispielen des neuen Verfah rens. In einigen vorteilhaften Ausführungsbeispielen beinhaltet der zweite Datensatz 54 Interpolationsparameter, die eine individuelle Korrektur der ortsabhängigen Verzüge auch dann ermöglichen, wenn eine aktuell ausgewählte Herstellungsregion 40 nicht exakt mit einer zuvor anhand eines Testobjekts erfassten Herstellungsregion übereinstimmt.
[0053] Fig. 2 zeigt die Vorrichtung 10 aus Fig. 1, wobei hier anstelle der Werkstücke 14a, 14b, 14c eine Vielzahl von definierten Testobjekten in den Herstellungsregionen 40 auf der Fertigungsplattform 12 hergestellt werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Übri gen die gleichen Elemente wie in Fig. 1. Die Testobjekte 56 können in der nachfolgend beschriebenen Weise verwendet werden, um den zweiten Datensatz 54 zu bestimmen. Vorteilhaft werden die definierten Testobjekte in einem Herstellungsprozess, der dem Herstellungsprozess der Werkstücke 14 zeitlich vorausgeht, auf prinzipiell gleiche Weise hergestellt, wie die Werkstücke 14, abgesehen davon, dass ein aktueller zweiter Daten satz 54 erst nach der Herstellung und Vermessung der Testobjekte 56 zur Verfügung steht. Insbesondere werden die Testobjekte 56 hier also schichtweise aus einem pulver förmigen Material 20 mithilfe des Laserstrahls 30 von unten nach oben aufgebaut.
[0054] Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Testobjekts aus Fig. 2 in einer etwas größeren Darstellung. Das Testobjekt 56 besitzt hier eine definierte Längsausdehnung 58 parallel zu der Fertigungsplattform 12 und eine definierte Längsausdehnung 60 senkrecht dazu. In bevorzugten Ausführungsbeispielen besitzt das Testobjekt 56 stabförmige Elemente 62, 64, 66, die sich in drei zueinander orthogonalen Raumrichtungen erstrecken, wobei die stabförmigen Elemente 62 und 64 in diesem Fall parallel zu der Fertigungsplattform 12 verlaufen, während das stabförmige Element 66 senkrecht dazu verläuft. Die stabförmi gen Elemente 62, 64, 66 besitzen jeweils eine definierte Sollabmessung, die beispielswei se in CAD-Daten in dem ersten Speicher 48 (Fig. 2) gespeichert sein kann. Üblicherweise weichen die tatsächlichen Ausdehnungen der stabförmigen Elemente 62, 64, 66 in Abhängigkeit von der jeweiligen Herstellungsregion 40 von den Sollabmessungen ab. Anhand der jeweiligen Differenzen zwischen den tatsächlichen Dimensionen und den jeweiligen Sollwerten können die individuellen ortsabhängigen Verzüge in den drei Raumrichtungen, die durch die stabförmigen Elemente 62, 64, 66 definiert werden, bestimmt werden. Dementsprechend werden in bevorzugten Ausführungsbeispielen des neuen Verfahrens eine Vielzahl von Testobjekten 56 in einer entsprechenden Vielzahl von Herstellungsregionen 40 zeitgleich oder zeitlich nacheinander auf der Fertigungsplattform 12 hergestellt und nachfolgend gemessen, um die jeweiligen ortsabhängigen Verzüge zu bestimmen. Vorteilhaft können dabei nicht nur die Längsabmessungen der stabförmigen Elemente 62, 64, 66 gemessen werden, sondern auch die relativen Abstände und/oder Winkel der stabförmigen Elemente 62, 64, 66 zueinander. Beispielsweise kann der relative Abstand zwischen den stabförmigen Elementen 62 und 62' einen ortsabhängigen Verzug senkrecht zu der Fertigungsplattform 12 im Verlauf des Herstellungsprozesses repräsentieren, auch wenn die Längsausdehnung 60 des Testobjekts 56 im Bereich des jeweiligen Sollwertes liegt. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn ortsabhängi ge Verzüge der definierten Materialschichten von der jeweiligen Höhe der Materialschicht im Fertigungsvolumen abhängen und/oder im Verlauf des Herstellungsprozesses variie ren.
[0055] In einigen Ausführungsbeispielen können die Testobjekte 56 mit einer jeweils individuellen Codierung 68 hergestellt werden, die es ermöglicht, die jeweils verwendete Herstellungs region 40 nachträglich anhand des Testobjekts 56 selbst zu identifizieren.
[0056] Wie in Fig. 4 dargestellt ist, werden die Testobjekte 56 in bevorzugten Ausführungsbei spielen des neuen Verfahrens nach der Herstellung mit einem Messgerät 70 gemessen, um die individuellen Testobjektabmessungen 58, 60 und die damit verbundenen Abwei chungen zu den Sollabmessungen zu bestimmen. Die erhaltenen Messdaten werden verwendet, um den zweiten Datensatz 54 zu bestimmen. In einigen Ausführungsbeispie len des neuen Verfahrens kann der erste Datensatz 50, der beispielsweise CAD-Daten eines herzustellenden Werkstücks 14 repräsentiert, unter Verwendung des zweiten Datensatzes 54 modifiziert werden, wie dies bei Bezugsziffer 72 in Fig. 4 angedeutet ist. Dementsprechend kann in einigen Ausführungsbeispielen ein modifizierter erster Daten satz 74 bestimmt werden, der gewissermaßen eine individuelle ortsabhängige Vorverzer rung der herzustellenden Werkstücke in Abhängigkeit von der jeweils gewählten Herstel lungsregion repräsentiert. Anschließend kann der modifizierte erste Datensatz verwendet werden, um die Steuersignale für die Steuerung des Strukturierungswerkzeugs 28, 30 zu bestimmen. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Datensatz 54 verwendet werden, um modifizierte Steuersignale für die verschiedenen Herstellungsregionen zu bestimmen. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 10 das Messgerät 70 als ein mobiles, z.B. handgeführtes 3D-Messgerät, oder als stationäres Messgerät beinhalten.
Die Bestimmung des modifizierten ersten Datensatzes 74 und/oder der modifizierten Steuersignale 76 erfolgt vorzugsweise automatisch anhand der Messdaten von einer Vielzahl von codierten Testobjekten 56, sowie anhand eines jeweils aktuellen ersten Datensatzes 50, der ein herzustellendes Werkstück 14 repräsentiert. Die Bestimmung des modifizierten ersten Datensatzes 74 und/oder der modifizierten Steuersignale 76 kann mit Hilfe des Prozessors 44 und/oder in der Steuerung 46 ausgeführt werden.
[0057] Dementsprechend können Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens Verfahrens schritte beinhalten, wie sie in Fig. 5 vereinfacht dargestellt sind. Gemäß den Schritten 80, 82 werden in einer Vielzahl von Herstellungsregionen 40 auf der Fertigungsplattform 12 Testobjekte hergestellt. Gemäß Schritt 80 kann ein einzelnes Testobjekt in einer ausge wählten Herstellungsregion auf der Fertigungsplattform 12 hergestellt werden und an schließend kann gemäß Schritt 82 in einem weiteren Herstellungsprozess ein weiteres Testobjekt in einer anderen Herstellungsregion hergestellt werden. Alternativ oder ergän zend können in einem Herstellungsprozess mehrere Testobjekte zeitgleich auf der Fertigungsplattform hergestellt werden. In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden eine Vielzahl von Testobjekten in mehreren Herstellungsprozessen in einer Vielzahl von Herstellungsregionen hergestellt, wobei von einem Herstellungsprozess zum nächsten die Auswahl der jeweiligen Herstellungsregionen und/oder die Belegungsdichte der Testob jekte auf der Fertigungsplattform 12 variieren kann. Nachdem alle gewünschten Testob jekte in den Schritten 80, 82 hergestellt wurden, werden die Testobjekte gemäß Schritt 84 jeweils gemessen, um die ortsabhängigen und/oder von der Befüllung der Fertigungsplatt form abhängigen Verzüge der jeweiligen Materialschichten zu bestimmen. Gemäß Schritt 86 werden die erhaltenen Informationen in dem zweiten Datensatz aggregiert und in dem Speicher 52 gespeichert.
[0058] Wie in Fig. 6 dargestellt ist, verwenden bevorzugte Ausführungsbeispiele des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung einen solchen zweiten Datensatz, der gemäß Schritt 88 aus dem Speicher 52 ausgelesen werden kann. Gemäß Schritt 90 wird außer dem ein erster Datensatz erhalten, der beispielsweise CAD-Daten eines herzustellenden Werkstücks repräsentieren kann. In einigen Ausführungsbeispielen wird eine Herstel lungsregion für das herzustellende Werkstück unter Verwendung des zweiten Datensat zes gemäß Schritt 92 ausgewählt. In einigen Ausführungsbeispielen kann hierzu aus einer Vielzahl von zweiten Datensätzen, die voneinander verschiedene Herstellungsszenarien repräsentieren, ein geeigneter zweiter Datensatz ausgewählt werden, der dem Herstel lungsszenario für das aktuelle Werkstück 14 in Bezug auf die Anzahl und/oder Größe der herzustellenden Werkstücke auf der Fertigungsplattform am nächsten kommt. Gemäß Schritt 94 werden Steuersignale zum Steuern des Strukturierungswerkzeugs unter Verwendung des zweiten Datensatzes bestimmt. Die Steuersignale beinhalten gewisser maßen eine Vorverzerrung des herzustellenden Werkstücks, die derart gewählt ist, dass die individuellen ortsabhängigen Verzüge der Materialschichten kompensiert werden und das hergestellte Werkstück den Solldaten gemäß dem ersten Datensatz mit hoher Maß haltigkeit und Reproduzierbarkeit entspricht.
[0059] Gemäß den Schritten 96, 98 wird das Werkstück nun schichtweise in aufeinanderfolgen den Werkstückschichten hergestellt. Gemäß Schritt 100 wird das hergestellte Werkstück in einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen nach der Herstellung gemessen, um die Maßhaltigkeit und Reproduzierbarkeit zu überprüfen. In Abhängigkeit von den gemesse nen individuellen Werkstückabmessungen kann der zweite Datensatz gemäß Schritt 102 aktualisiert werden, so dass bei zukünftigen weiteren Herstellungsprozessen ein entspre chend aktualisierter zweiter Datensatz erhalten wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14) mit lateralen Werk stückabmessungen (36), mit den Schritten: a) Erhalten eines ersten Datensatzes (50), der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (18) definiert, b) Auswählen einer Herstellungsregion (40) auf einer Fertigungsplattform (12) mit lateralen Plattformabmessungen (38), die größer sind als die lateralen Werkstückabmessungen (36), wobei die Herstellungsregion (40) einen Ab schnitt der Fertigungsplattform (12) definiert, an dem das Werkstück (14) schichtweise hergestellt werden soll, c) Erzeugen einer definierten Materialschicht (16) in der Herstellungsregion (40) auf der Fertigungsplattform (12) unter Verwendung des ersten Daten satzes (50), wobei mit der Materialschicht (16) eine definierte Werkstück schicht (18) aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstück schichten erzeugt wird, und d) Wiederholen des Schrittes c), wobei weitere definierte Werkstückschichten (18) aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt c) ein zweiter Datensatz (54) erhal ten wird, der einen von der Herstellungsregion (40) abhängigen Verzug der defi nierten Materialschicht (16) repräsentiert, und dass die definierte Materialschicht (16) unter Verwendung des ersten Datensatzes (50) und unter Verwendung des zweiten Datensatzes (54) erzeugt wird.
2. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Materialschicht (16) mit Hilfe eines Strukturierungswerkzeugs (30) er- zeugt wird, das unter Verwendung des ersten Datensatzes (50) und unter Ver wendung des zweiten Datensatzes (54) relativ zu der Fertigungsplattform (12) be wegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Datensatz (50) unter Verwendung des zweiten Datensatzes (54) modifiziert wird, um einen modifizierten ersten Datensatz (74) zu erzeugen, wobei das Strukturierungswerk zeug (30) in Abhängigkeit von dem modifizierten ersten Datensatz (74) relativ zu der Fertigungsplattform (12) bewegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem ersten Datensatz (50) erste Steuersignale bestimmt werden, mit denen das Strukturierungswerkzeug (30) relativ zu der Fertigungsplattform (12) bewegt werden kann, wobei die ersten Steuersignale in Abhängigkeit von dem zweiten Datensatz (54) modifiziert werden, um modifizierte Steuersignale (76) zu erzeu gen, und wobei das Strukturierungswerkzeug (30) in Abhängigkeit von den modifi zierten Steuersignalen (74) relativ zu der Fertigungsplattform (12) bewegt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere typgleiche Werkstücke (14a, 14b, 14c) zeitgleich in verschiedenen Her stellungsregionen (40) auf der Fertigungsplattform (12) in einem kombinierten Her stellungsprozess hergestellt werden, wobei für jedes der Werkstücke (14a, 14b, 14c) individuell modifizierte Prozessparameter unter Verwendung des zweiten Da tensatzes bestimmt und verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt c) eine Vielzahl von definierten Testobjekten (56) räumlich verteilt auf der Fertigungsplattform (12) schichtweise hergestellt werden, wobei der zweite Da tensatz (54) mit Hilfe der Vielzahl von definierten Testobjekten (56) bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von definierten Testobjekten (56) jeweils eine definierte Längsausdehnung senkrecht zu der Fertigungsplattform (12) besitzen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von definierten Testobjekten (56) jeweils eine definierte Längsausdehnung parallel zu der Fertigungsplattform (12) besitzen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von definierten Testobjekten (56) jeweils mit einer individuellen Kodierung (68) hergestellt werden, die eine jeweilige Herstellungsregion (40) auf der Ferti gungsplattform (12) repräsentiert, wobei der zweite Datensatz (54) unter Verwen dung der individuellen Kodierungen (68) bestimmt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von definierten Testobjekten (56) jeweils mit einem Messgerät (70) ge messen werden, um individuelle Testobjektabmessungen (58, 60)zu bestimmen, wobei der zweite Datensatz (54) in Abhängigkeit von den Testobjektabmessungen bestimmt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellungsregion (40) auf der Fertigungsplattform (12) in Abhängigkeit von dem zweiten Datensatz (54) ausgewählt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (14) nach der Herstellung mit einem Messgerät gemessen wird, um in dividuelle Werkstückabmessungen zu bestimmen, wobei der zweite Datensatz (54) in Abhängigkeit von den individuellen Werkstückabmessungen bestimmt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die definierte Materialschicht (16) im Schritt c) mit Hilfe des Strukturierungswerkzeugs (30) verfestigt wird.
14. Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks (14) mit lateralen Werk stückabmessungen (36), mit einer Fertigungsplattform (12) mit lateralen Plattfor mabmessungen (38), die größer sind als die lateralen Werkstückabmessungen (36), mit einem Strukturierungswerkzeug (30), das relativ zu der Fertigungsplatt form (12) bewegbar ist, mit einem ersten Speicher (48), der dazu eingerichtet ist, einen ersten Datensatz (50) zu erhalten, der das Werkstück (14) in einer Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstückschichten (18) definiert, und mit einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug (30) unter Verwendung des ersten Datensatzes relativ zu der Fertigungsplattform (12) zu bewegen, um schrittweise eine Vielzahl von Materialschichten (16) in einer Her stellungsregion (40) auf der Fertigungsplattform (12) zu erzeugen, wobei mit jeder Materialschicht (16) aus der Vielzahl von Materialschichten eine definierte Werk stückschicht (18) aus der Vielzahl von aufeinander angeordneten Werkstück schichten erzeugt wird, gekennzeichnet durch einen zweiten Speicher (52), der dazu eingerichtet ist, einen zweiten Datensatz (54) zu erhalten, wobei der zweite Datensatz (54) einen von der Herstellungsregion (40) abhängigen Verzug der defi nierten Werkstückschichten (18) repräsentiert, und wobei die Steuereinheit (42) dazu eingerichtet ist, das Strukturierungswerkzeug (30) unter Verwendung des ersten Datensatzes (50) und unter Verwendung des zweiten Datensatzes (54) re lativ zu der Fertigungsplattform (12) zu bewegen.
15. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchzuführen, wenn der Pro grammcode auf der Steuereinheit (42) einer Vorrichtung nach Anspruch 14 ausge führt wird.
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