WO2022128517A1 - Verfahren zum additiven herstellen eines objekts und herstellungsvorrichtung - Google Patents

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WO2022128517A1
WO2022128517A1 PCT/EP2021/084045 EP2021084045W WO2022128517A1 WO 2022128517 A1 WO2022128517 A1 WO 2022128517A1 EP 2021084045 W EP2021084045 W EP 2021084045W WO 2022128517 A1 WO2022128517 A1 WO 2022128517A1
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manufacturing
manufacturing device
elements
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Michael Patra
Michael Totzeck
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Carl Zeiss Ag
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Definitions

  • the invention relates to a method for additively manufacturing an object and a manufacturing device for additively manufacturing an object from a starting material.
  • a large number of methods and production devices for additively producing an object from a starting material are known.
  • a single jet is directed onto a starting material and the starting material is heated in this way.
  • the object is additively manufactured layer by layer.
  • the disadvantage here is that the production of the object using a single beam takes a very long time and defects in the object are only rarely detected.
  • the invention is based on the object of demonstrating a method for additively manufacturing an object or a manufacturing device for additively manufacturing an object from a starting material, which uses a large number of beams and in which defects in the object can be detected in a technically simple manner .
  • the object is achieved by a method for additively manufacturing an object from a starting material by means of a manufacturing device, wherein the Manufacturing apparatus comprises a plurality of radiating elements for radiating jets onto portions of the base material to heat the portions of the base material, the method comprising the steps of: emitting a plurality of jets from the radiating elements onto portions of the base material to heat the portions; Acquisition of measurement data of the starting material, the partially manufactured or fully manufactured object and/or the manufacturing device; and changing process parameters of the heating of the partial areas of the starting material by the beams to improve the manufacturing process of the object on the basis of the measurement data, the dependence of the process parameters of different beams on one another being taken into account when the process parameters are changed.
  • An advantage of this is that the object can be produced in a very short time. In addition, errors can be easily detected technically.
  • the respective sub-area can be partially or completely melted or liquefied.
  • One advantage of this is that by taking into account the interdependence of the process parameters, the manufacturing process and thus the quality of the manufactured object is improved in a particularly efficient manner. For example, it is possible that the speed of movement of the starting material relative to the radiant elements is the same for all radiant elements.
  • the heating of a partial area by a first radiation device cannot be carried out independently of the heating of a partial area by a second radiation device.
  • This effect or this dependency can thus also be taken into account when changing the process parameters, in that the temperature to which the starting material is or should be heated by the beams is not set to values that are too high for beams that are directly adjacent to one another (eg more than 10 °C or more than 20 °C) deviate from each other. As a result, the manufacturing process can be improved particularly efficiently.
  • the process parameters that are changed for example, the Duration of heating of the respective partial area, the energy or power or intensity of the individual beams, the speed of movement of the beams over the source material, the focusing of the beams on the source material, the relative movement and/or speed of movement of the source material relative to the radiant elements and/or or the heat introduced into the starting material by a heater.
  • Changing the process parameters can include or be an improvement and/or optimization of the process parameters or the quality or properties of the object.
  • the improving and/or optimizing can be performed using a machine learning system.
  • the process parameters determine how the starting material is processed or heated and thus determine the quality or properties of the object. Taking into account the dependence of the process parameters of different beams on one another can mean in particular that the process parameters of the beams are not determined or optimized independently of one another, but rather the correlations of the process parameters of different beams and/or partial areas of the starting material or the partially manufactured object with one another are taken into account.
  • the object is also achieved by a manufacturing device for additively manufacturing an object from a starting material, the manufacturing device comprising the following: a plurality of radiating elements for radiating rays onto partial areas of the starting material for heating the partial areas of the starting material, a control device for controlling the manufacturing device in this way that beams are emitted onto partial areas of the starting material for heating the partial areas, and a measuring device for acquiring measurement data of the starting material, the partially manufactured or fully manufactured object and/or the manufacturing device, wherein the control device for changing process parameters of the heating of the partial areas of the starting material by the beams are designed to improve the manufacturing process on the basis of the measurement data, with the change in the process parameters depending on the process pa rameter of different beams from each other are taken into account.
  • the advantage of this production device is that the production device can produce the object within a short period of time. In addition, faults in the partially manufactured object, fully manufactured object and/or the manufacturing device can be recognized in a technically simple manner in the manufacturing device.
  • the advantage of the manufacturing device is that by taking into account the interdependence of the process parameters, the manufacturing process of the manufacturing device and thus the quality of the object manufactured with the manufacturing device is improved particularly efficiently. In the production device, it is possible, for example, for the speed of movement of the starting material relative to the radiant elements to be the same for all radiant elements. For this reason, the production apparatus generally cannot heat a partial area by a first blasting device independently of the heating of a partial area by a second blasting device.
  • the manufacturing device does not optimize the individual beam or the individual beam element separately from the other beam elements, but rather the manufacturing device optimizes the manufacturing process or the beams of the manufacturing device as a whole and consequently the quality of the object or objects as a whole.
  • An example of the dependence of the process parameters of different beams of the production device on one another is the temperature of the starting material, which cannot be controlled or set completely independently of one another for radiant elements that are directly adjacent to one another or for partial areas of the starting material that are directly adjacent to one another and are irradiated by the beams of the manufacturing device. as the heat introduced into the source material spreads.
  • This effect or this dependency can thus also be taken into account when changing the process parameters, in that the temperature to which the starting material is or should be heated by the beams of the production device is not set to values for beams that are directly adjacent to one another deviate too much from each other (e.g. more than 10 °C or more than 20 °C).
  • the manufacturing device can improve the manufacturing process in a particularly efficient manner.
  • the process parameters that are changed can be, for example, the duration of the heating of the respective sub-area, the energy or power or intensity of the individual beams, the speed of movement of the beams over the starting material, the focusing of the beams on the starting material, the relative movement and/or or speed of movement of the feedstock relative to the radiating elements and/or the heat imparted to the feedstock by a heater.
  • Changing the process parameters can include an improvement and/or optimization of the process parameters or the quality or properties of the object or be.
  • the improving and/or optimizing can be performed using a machine learning system.
  • the process parameters determine how the manufacturing device processes or heats the starting material and thus determines the quality or properties of the object produced by the manufacturing device.
  • the dependence of the process parameters of different beams on one another can mean in particular that the process parameters of the beams of the production device are not determined or optimized independently of one another, but rather the correlations of the process parameters of different beams to one another are taken into account. For example, it is typically not possible to heat a first portion to a very high temperature and substantially not heat a second portion that is immediately adjacent to the first portion because of heat propagation in the starting material or semi-manufactured object or heat diffuses. Such (individual) optimization of the process parameters of the beams is therefore typically not selected by the production device when considering the dependencies of the process parameters of different beams on one another.
  • the object is also achieved by a computer program product which has instructions readable by a processor of a computer which, when executed by the processor, cause the processor to generate control signals for a manufacturing device for additively manufacturing an object from a starting material, which Cause the manufacturing device to perform the method described above.
  • the task is also solved by a computer-readable medium on which the computer program product is stored.
  • the method further comprises the following steps: detecting a fault in a first radiating element of the plurality of radiating elements; turning off the first radiating element; and reassigning at least a portion of the source material associated with the first radiating element to the other radiating elements.
  • the advantage of this is that the radiating elements are used particularly efficiently.
  • a first radiating element or several first radiating elements can be switched off without significant delays occurring in the additive manufacturing of the object.
  • the manufacturing time of the object can be optimized with one or more defective radiating elements.
  • a fault in a radiating element can be a malfunction of the radiating element or the beam source of the radiating element.
  • different radiating elements are assigned weightings of different magnitudes.
  • An advantage of this is that the shape of the object can be taken into account when changing the process parameters to improve the manufacturing process. For example, a first radiating element that creates an edge of the object at a time may be assigned a greater weight than a second radiating element that creates an interior part of the object at a time.
  • the quality of an edge of an object is typically more important than an interior part of the object. In this way, the quality of the object can be increased at the most important or relevant parts of the object. The most important parts or most relevant parts of the object can depend on the intended use.
  • the most important parts or most relevant parts of the object can be the parts whose quality has particularly large positive and/or negative effects when the object is used.
  • a greater weighting of a radiant element can mean in particular that the process parameters of this radiant element are set closer to their optimum point or ideal point than in the case of a radiant element of the same type that has a lower weighting.
  • the method further comprises the following steps: detecting a defect in the partially manufactured or fully manufactured object on the basis of the measurement data; Deciding whether to repair the detected error or not depending on the proportion of the complete object to which the partially manufactured object has already been manufactured, on the number of objects currently being manufactured by the manufacturing device at the same time and depending on the ratio between the time required for fixing the error and the time it took to craft a complete object from the source material; and repairing the error if it is decided to repair the error.
  • the method further comprises the following steps: detecting a defect in the partially manufactured or fully manufactured object on the basis of the measurement data; repairing the detected defect using one or more radiating elements of the manufacturing device, while other radiating elements of the plurality of radiating elements continue to manufacture the object from the starting material.
  • the advantage of this is that the production device is used as time-efficiently as possible. The manufacturing process therefore does not have to be completely or entirely interrupted for the repair. Some or most of the manufacturing apparatus or radiating elements may continue to manufacture the object during the repair.
  • the method further comprises the following step: moving the partially manufactured or fully manufactured object away from the radiating elements to a measuring station with one or more measuring devices for measuring properties of the partially manufactured or fully manufactured object and/or for detecting defects in the partially manufactured object or fully manufactured object.
  • the radiating elements can produce a further object or further objects, while another partially produced or completely produced object is being measured or examined by the measuring station or the one or more measuring devices.
  • the radiant elements can thus be used particularly efficiently and a large number of objects can be produced within a short period of time.
  • the partially manufactured or fully manufactured object is moved along with a support on which the partially manufactured or fully manufactured object lies.
  • the method further comprises the step of: moving the partially manufactured or fully manufactured object having a defect to a repair device for repairing defects of the object.
  • a repair device for repairing defects of the object.
  • the part-manufactured object is moved past the repair device directly from the measuring station to an application device for applying starting material to the part-manufactured object.
  • the process parameters are changed during the production of an object.
  • the process parameters are changed after the complete production of a first object and before the production of a second object.
  • the advantage of this is that the second object can be produced with the improved process parameters from the start. Consequently, the object is manufactured with a very high quality and precision.
  • the measurement data are recorded by measurement devices that are arranged, in particular regularly, between the radiating elements of the production device.
  • One advantage of this is that no separate measuring device, which is arranged at a distance from the irradiation device or the radiation elements, is required.
  • the partially manufactured or fully manufactured Object not be moved relative to the radiating elements to perform a measurement. This saves time and the object can be produced particularly quickly.
  • a plurality of second radiating elements of the multiplicity of radiating elements are combined in a module in such a way that the radiating elements of the module can only be moved together over the starting material.
  • the advantage of this is that the second radiating elements are moved together, so that the alignment of the second radiating elements with respect to one another is always unchanged. This reduces the control and updating effort of the writing process.
  • At least some of the control elements of the beam elements for moving the beams over the starting material are essentially identical in construction to the control elements of the measuring devices for moving the measuring area over the starting material.
  • the measuring device records the entire width of the starting material, in particular the entire surface of the starting material.
  • the control device is designed such that when a fault is detected in a first radiant element of the plurality of radiant elements, the first radiant element is switched off and at least a portion of the starting material that was assigned to the first radiant element is reassigned to the other radiant elements.
  • the manufacturing device is designed to assign differently sized weightings to different radiating elements when changing the process parameters to improve the manufacturing process.
  • the advantage of this is that the production device can take the shape of the object into account when changing or optimizing the process parameters.
  • the fabrication device may assign a greater weight to a first radiating element that fabricates an edge of the object at a time than to a second radiating element that fabricates an interior portion of the object at a time.
  • the quality of an edge of an object is typically more important than an interior part of the object.
  • the quality of the object produced by the production device can be improved at the most important or relevant parts of the object.
  • the most important parts or most relevant parts of the object produced with the production device can depend on the intended use.
  • the most important parts or most relevant parts of the object can be the parts whose quality has particularly large positive and/or negative effects when the object is used.
  • a greater weighting of a radiant element can mean in particular that the process parameters of this radiant element are set by the production device closer to their optimal point or ideal point than in the case of a radiant element of the same type that has a lower weighting.
  • the control device is for deciding whether a detected defect of the object is repaired or not repaired depending on the proportion of the complete object to which the object has already been produced, on the number of objects currently being produced by the production device at the same time and dependent on the ratio between the time required to repair the error and the time required to produce a complete one Object from the starting material formed.
  • the advantage of the production device is that the object can be produced in a particularly time-efficient manner. It has been recognized that in the production device with many beam elements or many beams (eg a few dozen, 100, hundreds, thousands or more than a thousand) repairing a fault, even if this is technically possible, is not efficient or sensible in many situations is, since this delays the crafting of further objects.
  • repair is usually not worthwhile and accordingly is not carried out.
  • the fact that the repair is not worthwhile means that more defect-free objects can be produced by the production device per unit of time if the object with a defect is not repaired but is declared as scrap.
  • the production device is designed such that a detected defect in the object can be repaired by one or more blasting elements, while the other blasting elements of the plurality of blasting elements continue to produce the object from the starting material.
  • An advantage of the manufacturing device is that the manufacturing device can work in a particularly time-efficient manner. Consequently, the production device does not have to completely interrupt the production of the object for the repair. Some or most of the manufacturing apparatus or radiating elements may continue to manufacture the object during the repair.
  • the manufacturing device is designed in such a way that the partially manufactured or fully manufactured object is transported away from the radiating elements to a measuring station with one or more measuring devices for measuring properties of the partially manufactured or fully manufactured object and/or for detecting defects in the partially manufactured or fully manufactured object is movable.
  • An advantage of this is that the radiating elements of the manufacturing device can manufacture another object or objects while another partially manufactured or fully manufactured object is carried away by the measuring station which is measured or examined by one or more measuring devices of the production device.
  • the radiant elements of the production device can thus be used in a particularly time-efficient manner and the production device can produce a very large number of objects within a short time.
  • the manufacturing device is designed such that the partially manufactured object can be moved past a repair device directly from the measuring station to an application device for applying starting material to the partially manufactured object.
  • the advantage of this is that not every partially manufactured or fully manufactured object has to be moved through the repair device in the manufacturing device. This increases the utilization efficiency of the repairing device of the manufacturing device and/or shortens the time required for the manufacturing device to manufacture the complete object.
  • the production device is designed in such a way that the process parameters can be changed during the production of an object.
  • the advantage of this is that the production device can already produce a next layer of the object that is being produced using the improved process parameters.
  • the manufacturing device can already avoid or at least reduce defects in one layer in or in the next layer. This increases the quality of the object produced by the crafting device.
  • the production device is designed in such a way that the process parameters can be changed after the complete production of a first object and before the production of a second object.
  • An advantage of the manufacturing device is that the manufacturing device can manufacture the second or subsequent object with the improved process parameters from the start. Thus, the manufacturing device manufactures the second or subsequent object with a very high quality or precision.
  • the measuring devices are arranged between the radiating elements.
  • the production device does not have a separate measuring device that is at a distance from the irradiation device or the radiation elements is arranged, required. Consequently, the manufacturing apparatus does not require the partially manufactured or fully manufactured object to be moved relative to the radiating elements in order to perform a measurement. This saves time and the production device can produce the object particularly quickly.
  • a plurality of second radiating elements of the multiplicity of radiating elements are combined in a module in such a way that the radiating elements of the module can only be moved together over the starting material.
  • At least some of the control elements of the beam elements for moving the beams over the starting material are essentially identical in construction to the control elements of the measuring devices for moving the measuring area over the starting material.
  • the production device is designed in such a way that measuring devices are arranged in such a way that the entire width, in particular the entire surface, of the starting material can be detected by the measuring devices.
  • measuring devices are arranged in such a way that the entire width, in particular the entire surface, of the starting material can be detected by the measuring devices.
  • the process parameters can be, for example, the relative speed between the substrate or the starting material and the radiating elements or the beams, the focussing of the rays on the starting material, the allocation of the partial areas of the starting material to the radiating elements or rays, the intensity or power or energy of the rays, the duration of the irradiation of a partial area with the rays that speed at which the jets are moved over the feedstock and/or the temperature to which the feedstock is heated.
  • a defect in the object can in particular include or be an inclusion, an air void/gas void, a lack of connection of the processed starting material, a crack and/or a layer splitting/delamination of several layers of the object.
  • the number of radiating elements of the plurality of radiating elements can be in the range of tens (e.g. 24, 40 or 48), hundreds, a few hundred (e.g. 200, 300 or 500), thousands or a few thousand (e.g. 2000, 3000 or 5000). More than 5000 radiant elements are also conceivable. Accordingly, the number of beams can also be in these ranges. It has been recognized that with such a large number of radiant elements or beams, there are a multitude of aspects that are typically not present or irrelevant in a production device with one radiant element or one beam or with five radiant elements or five beams. In particular, with a very large number of radiant elements or jets in the range of a hundred or more, the process parameters of the radiant elements or jets are highly dependent on one another, which must be taken into account.
  • Each radiation element can have its own radiation source. Multiple beams can work together to produce the same object at the same time.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a first embodiment of the production device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic view of the beams of the production device from FIG. 1 ;
  • 3 is a schematic view of the beams of a second embodiment of the manufacturing device according to the invention.
  • 4 shows a schematic view of the radiating elements of a third embodiment of the production device according to the invention;
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of the starting material of the production device from FIG. 1 ;
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the quality of the process parameters of a first radiant element
  • Figure 8 is a first combined view of Figures 6 and 7;
  • Figure 9 is a second combined view of Figures 6 and 7;
  • FIG. 10 shows a schematic view of the radiating elements of a fourth embodiment of the production device according to the invention.
  • FIG. 11 shows a schematic view of the radiating elements of a fifth embodiment of the production device according to the invention.
  • FIG. 12 shows a schematic view of two different objects produced or to be produced by means of the production device from FIG. 1;
  • Fig. 13a shows a schematic view of the manufacturing process of five objects without defects
  • 13b shows a further schematic view of the manufacturing process of five objects without defects
  • Fig. 14a is a schematic view of the manufacturing process of five objects with one defect
  • FIG. 15 shows a schematic representation of a sixth embodiment of the production device according to the invention.
  • FIG. 16 shows a schematic representation of a seventh embodiment of the production device according to the invention.
  • 17a shows a schematic representation of an eighth embodiment of the production device according to the invention
  • 17b shows a schematic representation of a ninth embodiment of the production device according to the invention
  • 17c shows a schematic representation of a tenth embodiment of the production device according to the invention.
  • FIG. 18 shows a schematic representation of an eleventh embodiment of the production device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic view of a first embodiment of the manufacturing device 10 according to the invention.
  • Fig. 2 shows a schematic view of the beams of the manufacturing device 10 from Fig. 1.
  • the production device 10 is designed for the additive production of an object 22-26 from a starting material 20 (also called 3D printing).
  • the object 22-26 can be a gear, for example.
  • the manufacturing device 10 includes a plurality of radiating elements 27-32.
  • the beam elements 27-32 each radiate one or more beams 33, 34 onto the starting material 20.
  • the beams 33, 34 can be tiltable, so that their impact positions on the starting material 20 can be changed.
  • the starting material 20 is heated or heated by the jets 33, 34, so that it melts or at least partially becomes liquid.
  • the beams 33, 34 can include or be light beams, in particular laser beams, and/or electron beams.
  • the starting material 20 can include or be plastic and/or metal and/or a metal alloy.
  • the starting material 20 comprises powder, a layer of which is applied or applied to a substrate 21 . Then the respective layer is partially irradiated and then the next layer is applied.
  • the process parameters of the manufacturing process determine the quality of the manufactured object 22-26 and/or the manufacturing time required to manufacture the object 22-26.
  • a control device 15 controls the process parameters or provides the
  • the radiating elements 27-32 are arranged in a regular pattern. The distances between the radiating elements 27-32 are equidistant.
  • a write circuit 40 of a radiating element 27-32 (located in the center of the write circuit) is shown.
  • the writing circuit 40 shows which partial area of the starting material 20 can be processed or heated by means of the radiant element 27-32 or by means of the beam 33, 34 of the radiant element 27-32.
  • the beam 33, 34 of the beam element 27-32 in the center of the writing circle can be moved over the entire area of the writing circle, but typically not beyond.
  • Each radiating element 27-32 can thus have its own writing circle, in which the respective radiating element 27-32 is located in the center of the writing circle.
  • the writing circles can each be the same size.
  • the writing circle 40 does not have to be strictly circular, but can also be elliptical.
  • each partial area or each point of the starting material 20 can be reached or irradiated by ten different radiation elements 27-32.
  • FIG. 3 shows a schematic view of the beams 33, 34 of a second embodiment of the manufacturing device 10 according to the invention. In FIG. 3 several writing circuits 40-42 are shown.
  • the radiating elements 27-32 are arranged in the second embodiment as in the first embodiment.
  • each radiating element 27-32 does not have its own write circuit.
  • the beams or beam elements 27-32 denoted by the numbers 2, 3 and 4 in fig 4 in Fig. 3 can each only be moved in the partial area of the common writing circle 2, 3, 4 and 40-42, respectively, but typically not beyond that.
  • the three beams 33, 34 or beam elements 27-32 have a common one f-theta optics and/or a common Fourier optics.
  • the beams denoted by the numbers 5 and 6 also have a writing circuit 42 in common. This means that the beams 5 and 6 can only be moved within the writing circle 42 labeled 5, 6.
  • Another difference is that the beam elements 27-32 or beams are not in the center of the respective writing circle.
  • Fig. 4 shows a schematic view of the radiating elements 27-32 of a third embodiment of the production device 10 according to the invention.
  • measuring devices 60, 61 are arranged between the radiating elements 27-32.
  • a measuring device 60, 61 is arranged at some points where a radiating element 27-32 is usually arranged.
  • the measuring devices 60, 61 are also regularly arranged equidistant from one another in a rectangular pattern.
  • the measuring devices 60, 61 are arranged in such a way that the entire area or at least the entire width of the starting material 20 or the substrate 21 can be recorded by the measuring devices 60, 61.
  • the measuring devices 60, 61 can be moved over the starting material 20, for example when measuring the starting material 20 or the partially manufactured or fully manufactured object 22-26 by means of a laser beam.
  • the device/devices for moving the beams of the measuring devices 60, 61 can be essentially or largely structurally identical or identical to the device/devices for moving the beams 33, 34 of the beam elements 27-32.
  • the detection circle ie the partial area of the starting material 20 that can be detected by a measuring device 60, 61, can correspond to the writing circle or the shape of the writing circle, or the areas can be of the same size.
  • a movement of the beams of the measuring devices 60, 61 can mean in particular that the measuring devices 60, 61 themselves are not moved, but the respective position or the respective point of impact of the beams of the measuring devices 60, 61 on the starting material, the base 21, the partially manufactured Object or the fully manufactured object is changed or moved.
  • a movement of the rays 33, 34 of the radiating elements 27-32 can mean in particular that the radiating elements 27-32 themselves are not moved, but the respective position or the respective point of impingement of the rays 33, 34 of the radiating elements 27-32 on the partially manufactured or fully manufactured object is changed. This can be carried out, for example, by an optic.
  • the measuring devices 60, 61 are passive elements, such as a camera that can record signals over a large area, so that a movement of beams from the measuring devices 60, 61 over the starting material 20 is not necessary.
  • the measuring devices 60, 61 can be designed in such a way that a measurement is already carried out while the beams 33, 34 are being radiated by the radiating elements 27-32 onto the starting material 20.
  • the measuring devices 60, 61 can measure the temperature of the radiant elements 27-32, the intensity or power of the rays 33, 34 of the radiant elements 27-32, the temperature of the starting material 20 and/or the partially manufactured object 22-26, the surface structure and the like capture properties.
  • the internal structure of the partially manufactured or fully manufactured object below the surface e.g. by thermal excitation and subsequent detection of the surface temperature or surface topography (thermographic measurement).
  • a measurement as described in WO 2018/234 331 A1 can be carried out here.
  • the minimum number of measuring devices 60, 61 should be selected so that as many radiating elements 27-32 as possible can be arranged in one area, but the entire area of the starting material 20 or the base 21 or at least the entire width of the starting material 20 or the Pad 21 can be detected or measured by the measuring devices 60, 61.
  • the gauges 60, 61 can be arranged in a rectangular pattern or in a hexagonal pattern.
  • the measuring devices 60, 61 are arranged in a rectangular pattern, their diagonal distance from one another should be 2 * R, where R is the radius of the circle within which the starting material 20 can be detected by the measuring device 60, 61 (also called the detection circle ).
  • two measuring devices 60, 61 can measure or record the same partial area of the starting material 20.
  • a second set of measuring devices 60, 61 is required.
  • the measuring devices 60, 61 of the second set of measuring devices 60, 61 should preferably be arranged at the intersection points of the first set of measuring devices 60, 61, respectively.
  • the measuring devices 60, 61 are arranged in spatial proximity or directly adjacent to some of the radiating elements 27-32. In this way, the irradiation of the starting material 20 with the beams 33, 34 and the change in the starting material 20 during the writing process can be detected or measured. The finished layer of the starting material 20 can also be recorded or measured. The latter can also be carried out after the starting material 20 has cooled down.
  • the measuring devices 60, 61 can detect or detect errors in the radiating elements 27-32 of the partially manufactured or fully manufactured object 22-26. It is conceivable that even if errors are present, the object 22-26 is still rated as acceptable, since the quality of the object 22-26 is still above a predetermined minimum value. It is also conceivable that the measuring devices 60, 61 only detect properties of the object 22-26 and no errors are detected.
  • Fig. 5 shows a schematic plan view of the starting material 20 of the production device 10 from Fig. 1.
  • Three heating devices 100-105 are arranged on the left and right sides of the base 21 and the starting material 20, respectively.
  • the heating devices 100-105 preheat the starting material 20 so that the jet 33, 34 for melting the starting material 20 only has to introduce very little energy into the starting material 20.
  • a temperature gradient in the form of an arrow is shown in FIG. 5 by way of example.
  • the temperature of the feedstock 20 drops along the arrow shown. This makes it clear that the temperature of the starting material 20 or the partially manufactured object 22-26 cannot be set independently for each radiant element 27-32 or each beam 33, 34 or for each partial area of the starting material 20.
  • a second portion immediately adjacent to the first portion is also heated, although this may be undesirable.
  • This is an example of a continuous dependence of the process parameters of the beams 33, 34 or beam elements 27-32 on one another, i.e. a dependence that decreases with increasing distance and practically disappears when the distance is sufficiently large.
  • the temperature of the starting material 20 or of the partially manufactured object 22-26 is therefore one of the process parameters that correlate between the beam elements 27-32 or beams 33, 34.
  • the temperature of widely separated subregions is largely independent of each other; however, the temperature of closely adjacent portions of the starting material 20 is highly interdependent. This correlation or dependency should be taken into account when setting or improving the process parameters of the manufacturing process if the manufacturing device 10 has a (large) number of beam elements 27-32 or beams 33, 34.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the quality of the process parameters of a first radiant element 27-32.
  • the starting material 20 can be moved on the base 21 or together with the base 21 relative to the jet elements 27-32.
  • the Jets 33, 34 are moved over the stock material 20, while the base 21 with the stock material 20 does not move relative to the jet elements 27-32.
  • the relative speed of movement of the feedstock 20 relative to the jet elements 27-32 is called relative speed.
  • the relative speed is plotted on the x-axis, while the power of a beam 33, 34 of a radiating element 27-32 is plotted on the y-axis.
  • the contours show different values of the quality of the partially or completely produced object 22-26 or the partial area of the object 22-26 that is processed by the beam 33, 34 of the beam element 27-32.
  • the contours show poor values (outermost contour), acceptable or acceptable values (middle contour) and good values (innermost contour) and the point shows the ideal value of the process quality of manufacturing the object 22-26 or the processing of a partial area by the beam 33, 34 of the jet element 27-32, ie the optimal point of the relative speed and the power of the jet 33, 34.
  • this ideal point should be set as a process parameter.
  • the shape of the contours can each change over time.
  • the shape of the contours can depend on a known or unknown factor or on a number of known and/or unknown factors that cannot or can hardly be controlled or controlled. For example, there are differences in the emitted beam 33, 34 even with radiant elements 27-32 of identical construction.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the quality of the process parameters of a second radiating element 27-32.
  • relative velocity is plotted on the x-axis while power of the beam is plotted on the y-axis.
  • a second beam element 27-32 the contours for the bad values (outermost contour), acceptable values (middle contour) and good values (innermost contour) as well as the ideal point (black point) can be different than in the first beam element 27-32.
  • the relative speed and/or the power of the beam 33, 34 for reaching the ideal point of the second beam element 27-32 is different than for reaching the ideal point of the first beam element 27-32.
  • Fig. 8 shows a first combined view of Figs. 6 and 7.
  • Fig. 9 shows a second combined view of Figs. 6 and 7. In Fig. 8 and in Fig. 9 the relative speed is on the x -axis plotted, while the power of the respective beam 33, 34 is plotted on the y-axis.
  • the power of the respective beam 33, 34 or of the respective beam element 27-32 can be adjusted independently of one another.
  • the relative speed i.e. how fast the starting material 20 or the base 21 with the starting material 20 is moved relative to the jet elements 27-32, is the same for all jets 33, 34 or jet elements 27-32 and is therefore not independent of one another.
  • the ideal point of both beams 33, 34 or beam elements 27-32 cannot usually be reached or set with two different beams 33, 34 or beam elements 27-32. It can be seen in FIG. 8 that at the relative speed shown, both beams 33, 34 lie within the contour for good values (innermost contour), but are each removed from the ideal points. In the combination of values shown in FIG.
  • the parameters of the individual beams 33, 34 are not optimized independently of one another (the optimum is identified in FIGS. 6-9 by the ideal point), but rather the correlations or dependencies of the process parameters of different beam elements 27-32 to or from each other is taken into account.
  • the relative speed must be the same for all jets 33, 34 or jet elements 27-32.
  • the temperature of the feedstock 20 to be heated need not be the same for all radiating elements 27-32, but there is a limited correlation depending on the distance of the radiating elements 27-32 from each other. The further away the radiant elements 27-32 are from one another, the more independently of one another the temperatures to which the starting material 20 is to be or is heated can be set.
  • the number of radiating elements 27-32 of the manufacturing apparatus 10 is not just two, as shown in Figs. 8 and 9, but may be in the range of a few hundred (eg 100, 200 or 500 radiating elements 27-32), in the range of thousands or a few thousand (eg 1000, 2500 or 5000 radiating elements 27-32) or ten thousand or more.
  • the dependencies of the process parameters on one another are taken into account.
  • the best possible compromise is sought or set between the ideal points of a plurality of radiating elements 27-32 or of all radiating elements 27-32.
  • a simultaneous optimization of all process parameters, taking into account the dependencies on one another or correlations with one another, is carried out together.
  • Changing or improving the process parameters can also be carried out if no error in the object 22-26 was detected.
  • the measuring devices 60, 61 can determine, even without detecting an error, that the current process parameters are suboptimal.
  • process parameters that are the same for all radiating elements 27-32, e.g. the relative speed. Some process parameters are partially interdependent, such as the temperature of the starting material 20, which is or must be similar for radiant elements 27-32 that are closely adjacent to one another, while being substantially independent of one another for radiant elements 27-32 that are further apart is. And there are process parameters of the manufacturing process, such as the intensity or power of the beam 33, 34 of the radiating element 27-32, which are essentially completely independent of one another.
  • Fig. 10 shows a schematic view of the radiating elements 27-32 of a fourth
  • FIG. 11 shows a schematic view of the radiating elements 27-32 of a fifth embodiment of the production device 10 according to the invention.
  • radiating elements 27-32 are combined in a module 50-54.
  • the radiating elements 27-32 or rays 33, 34 of a module 50-54 can only be moved together. It is possible that the modules 50-54 can each be rotated, in particular if the beams 33, 34 have a specific orientation or preferred orientation, e.g. with an elliptical non-circular shape of the beam 33, 34.
  • the radiating elements 27-32 a Modules 50-54 can have or use common Fourier optics and/or f-theta optics, for example.
  • beam elements 27-32 or beams 33, 34 can be part of a single or the same laser stack.
  • the laser diodes of the laser stack thus share properties such as temperature, which influences the exact frequency of the light emitted.
  • the beams 33, 34 of a laser stack thus have the same properties, while beams 33, 34 of another laser stack can have different properties. This dependency or independence can be taken into account when improving the process parameters.
  • FIG. 12 shows a schematic view of two different objects 22-26 produced or to be produced by means of the production device 10 from FIG.
  • Different weights or evaluation weights can be assigned to different beam elements 27-32 when improving or optimizing the process parameters. This means that improving or optimizing the process parameters of a first beam element 27-32 is rated as more important than improving or optimizing the process parameters of a second beam element 27-32.
  • a first radiating element 27-32 producing an edge of an object 22-26 may be assigned a greater weight than a second radiating element 27-32 producing an interior of the same object 22-26. The edge is at the finished object 22-26 outside or is visible, while the inside is not visible or has to withstand lower loads than the edge.
  • the production device 10 can produce a number of objects 22-26 at the same time.
  • a number of objects 22-26 at the same time.
  • object 22-26 in Fig. 12 will be assigned a greater weight in improving the process parameters than the second beam element 27-32 or the second beam 33, 34, the or the one interior area of the left object 22-26 in Fig. 12 is produced.
  • the assigned weights or rating weights may change over time.
  • the process parameters can during the production or processing of a layer of the starting material 20 or the object 22-26, between the production or processing of a first layer and a second layer of the starting material 20 or the object 22-26 or between the production of a first object 22-26 and the production of a second object 22-26 can be changed or optimized or improved.
  • a reassignment can of course only take place to beam elements 27-32 which can also process the corresponding partial area of the starting material 20. The reassignment only slightly decreases the efficiency of the crafting process and allows crafting to continue essentially uninterrupted.
  • the cause of the error was the process parameters of one or more individual radiating elements 27-32 or whether a global setting (e.g. setting the relative speed) of the process parameters for all radiating elements 27- 32 was the cause of the error or errors. If the process parameters of one or more individual radiating elements 27-32 are the cause, it must also be determined whether the error can probably be prevented in the future by changing the process parameters of these radiating elements 27-32 or whether the radiating element 27-32 or the corresponding radiating elements 27-32 must be switched off.
  • a global setting e.g. setting the relative speed
  • the decision on how to proceed can include the following three possibilities:
  • the repair can be carried out, for example, by re-melting the sub-area that has the defect.
  • Detecting errors or capturing properties is useful even if nothing is done to fix a possible error, as this can provide evidence that there are no errors.
  • Figure 13a shows another schematic view of the manufacturing process of five objects 22-26 without defects.
  • Figure 14a shows a schematic view of the manufacturing process of five objects 22-26 with a defect.
  • Figure 14b shows another schematic view of the manufacturing process of five objects 22-26 with a defect.
  • FIG. 13a Fig. 13a
  • Fig. 13b Fig. 14a and in Fig. 14b time runs from left to right, respectively.
  • FIG. 13a and Fig. 14a the manufacturing process with a manufacturing device 10 according to the prior art with a beam 33, 34 is shown.
  • the production process with a production device 10 according to the invention with a multiplicity of beams 33, 34 is shown in FIGS. 13b and 14b.
  • the error is repaired, while in each case in the lower part of FIGS. 14a and 14b the error is not repaired.
  • a manufacturing device 10 with a prior art jet element 27-32 or jet 33, 34 it takes 15 units of time (e.g. 15 minutes) to manufacture the five products. With the production device 10 according to the invention, it only takes three units of time (e.g. 3 minutes).
  • an error occurs when processing the second layer L2 of the second object 22-26. This is represented by a cross in FIG. 14a and in FIG. 14b. The error can be repaired within a unit of time (represented by an "R") or the error is not repaired and the object 22-26 is unusable/scrap.
  • the time to repair is overcompensated by the additional viable objects 22-26. This means that repairing is worth the time.
  • Productivity in terms of the number of manufactured useful objects 22-26 per unit time is higher when repairing is carried out.
  • 5 usable objects are produced in 16 units of time, ie 0.3125 usable objects per unit of time.
  • 4 usable objects are produced in 14 units of time, ie 0.2857 usable objects per unit of time.
  • N is the number of objects 22-26 being produced by the production apparatus 10 at one time
  • c is the ratio between the time required for repairing and the time required for producing a complete object 22-26 .
  • f has a value of 0.1
  • a value of f of 0.9 means that the object 22-26 is already 90% finished.
  • the number N can depend on the number of beam elements 27-32 or beams 33, 34 of the production device 10.
  • the repair can be carried out on-the-fly, so to speak, or instantaneously.
  • a first radiating element 27-32 or several first radiating elements 27-32 carry out the repair of the error or the defective part area of the object 22-26 (e.g. by heating a part area of the object 22-26 again or heating it up again), while the other radiating elements 27-32 continue to produce the object 22-26.
  • the partial areas to be processed can be reassigned to the radiating elements 27-32. In this way, the manufacturing process of the object 22-26 takes only slightly longer than if an error were created and repaired.
  • the object 22-26 is irradiated at the same point, the object 22-26 is measured and new powder is applied. This means that these 3 steps can be performed at the same position of the manufacturing apparatus 10.
  • the partially manufactured or fully manufactured object 22-26 or the base 21 with the object 22-26 is transported to different dedicated devices.
  • this transport can take place in such a way that these dedicated devices are repeatedly reached in a specific order. This is also called a roller coaster design.
  • Fig. 15 shows a schematic representation of a sixth embodiment of the production device 10 according to the invention.
  • the manufacturing device 10 has several devices between which the object 22-26 or the base 21 is moved. For example, the various devices are connected to a rail 95, by means of which the base 21 with the starting material 20 or object 22-26 is guided.
  • the production device 10 has an application device 90 , 91 .
  • the application device 90, 91 applies a new layer of the starting material 20 or of powder to the base 21 or to the layers of the starting material 20 already present on the base 21.
  • the production device 10 has a blasting device 70 , 71 .
  • the blasting device 70, 71 comprises at least part of the blasting elements 27-32 or the blasting elements 27-32 and emits the jets 33, 34 of the blasting elements 27-32 onto the starting material 20, whereby the starting material 20 is heated or heated in places.
  • the next part of the production device 10 along the direction of movement of the base 21 is a cooling device 80, 81.
  • the object 22-26 or the starting material 20 is cooled.
  • a measuring station 65, 66 with one or more measuring devices 60, 61 is located below.
  • the measuring device or measuring devices 60, 61 can be designed to measure or record the properties of the object 22-26 and/or the starting material 20 on the base 21.
  • the blasting device 70, 71 only has measuring devices 60, 61 for detecting defects that can only be detected during the manufacturing process or the heating of the starting material 20 (eg the temperature of the melted or heated starting material 20).
  • the further measuring devices 60, 61 or elements can be arranged in the measuring station 65, 66 or measuring stations 65, 66.
  • the number in measuring devices 60, 61 in the blasting device 70, 71 and between the radiating elements 27-32, where space is particularly tight can be reduced. Consequently, the effective density of the radiating elements 27-32 is increased. The errors can be repaired in the blasting device 70,71.
  • Fig. 16 shows a schematic representation of a seventh embodiment of the production device 10 according to the invention.
  • the seventh embodiment differs from the sixth embodiment in that there is also a dedicated repair device 93, 94 between the measuring station 65, 66 with one or more measuring devices 60, 61 and the application device 90, 91.
  • the advantage of a special or dedicated repair device 93, 94 is that it can be designed in such a way that errors can be repaired here that cannot be repaired by the blasting elements 27-32 of the blasting device 70, 71.
  • Fig. 17a shows a schematic representation of an eighth embodiment of the production device 10 according to the invention.
  • the eighth embodiment differs from the seventh embodiment in that it is possible to bypass the repair device 93, 94, i.e. the substrate 21 can be transported directly from the measuring station 65, 66 with one or more measuring devices 60, 61 to the application device 90, 91 can be moved bypassing the repair device 93, 94 and that only one repair device 93, 94 is present.
  • This arrangement saves time, since not every object 22-26 has to be guided into or through the repair device 93, 94. This is only carried out when the measuring station 65, 66 has detected an error with one or more measuring devices 60, 61. If the measuring station 65, 66 with one or more measuring devices 60, 61, after which the repair device 93, 94 is not arranged immediately, detects an error, the object 22-26 or the base 21 can be removed by the application device 90, 91, the beam device 70, 71, the cooling device 80, 81 are performed unchanged, so that before applying a new layer, the error in the single Repair device 93, 94 can be repaired. This arrangement can be particularly advantageous when errors are very unlikely to occur and/or errors do not take long to repair.
  • Fig. 17b shows a schematic representation of a ninth embodiment of the production device 10 according to the invention.
  • the ninth embodiment differs from the seventh embodiment in that both repair devices 93, 94 have a bypass option. This means that after the two measuring stations 65, 66, the object 22-26 or the base 21 can be moved directly to the application device 90, 91 without the repair device 93, 94 being passed through. This arrangement can be particularly advantageous when errors are very likely to occur and/or errors take a long time to repair.
  • Fig. 17c shows a schematic representation of a tenth embodiment of the production device 10 according to the invention.
  • the repair devices 93, 94 can be arranged in these areas.
  • the tenth embodiment differs from the ninth embodiment in that the repairing jigs 93, 94 are arranged in the areas where the pad 21 comes in and out of the circulation.
  • Fig. 18 shows a schematic representation of an eleventh embodiment of the production device 10 according to the invention.
  • the eleventh embodiment differs from the sixth embodiment in that there is no separate measuring station 65, 66.
  • the measurement is at the eleventh Embodiment carried out by means of measuring devices 60, 61 in the beam device 70, 71.
  • the measuring devices 60, 61 can thus be part of the blasting device 70, 71.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts (22-26) aus einem Ausgangsmaterial (20) mittels einer Herstellungsvorrichtung (10) aufgezeigt, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) eine Vielzahl von Strahlelementen (27-32) zum Ausstrahlen von Strahlen (33, 34) auf Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20) zum Erwärmen der Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Aussenden von einer Vielzahl von Strahlen (33, 34) von den Strahlelementen (27-32) auf Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20) zum Erwärmen der Teilbereiche; Erfassen von Messdaten des Ausgangsmaterials (20), des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts (22-26) und/oder der Herstellungsvorrichtung (10); und Verändern von Prozessparametern des Erwärmens der Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20) durch die Strahlen zum Verbessern des Herstellungsprozesses des Objekts (22-26) auf Basis der Messdaten, wobei bei dem Verändern der Prozessparameter die Abhängigkeit der Prozessparameter verschiedener Strahlen (33, 34) voneinander berücksichtigt wird.

Description

Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts und Herstellungsvorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts und eine Herstellungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial.
Stand der Technik
Eine Vielzahl von Verfahren bzw. Herstellungsvorrichtungen zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial ist bekannt. Bei diesen wird ein einzelner Strahl auf ein Ausgangsmaterial gerichtet und das Ausgangsmaterial auf diese Weise erwärmt. Auf diese Weise wird das Objekt Schicht für Schicht additiv hergestellt.
Nachteilig hieran ist, dass die Herstellung des Objekts mittels eines einzelnen Strahls sehr lange dauert und Fehler des Objekts nur selten erkannt werden.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts bzw. eine Herstellungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial aufzuzeigen, das bzw. bei der eine Vielzahl von Strahlen verwendet wird und bei der Fehler des Objekts technisch einfach erkannt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. eine Herstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 17 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial mittels einer Herstellungsvorrichtung gelöst, wobei die Herstellungsvorrichtung eine Vielzahl von Strahlelementen zum Ausstrahlen von Strahlen auf Teilbereiche des Ausgangsmaterials zum Erwärmen der Teilbereiche des Ausgangsmaterials aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Aussenden von einer Vielzahl von Strahlen von den Strahlelementen auf Teilbereiche des Ausgangsmaterials zum Erwärmen der Teilbereiche; Erfassen von Messdaten des Ausgangsmaterials, des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts und/oder der Herstellungsvorrichtung; und Verändern von Prozessparametern des Erwärmens der Teilbereiche des Ausgangsmaterials durch die Strahlen zum Verbessern des Herstellungsprozesses des Objekts auf Basis der Messdaten, wobei bei dem Verändern der Prozessparameter die Abhängigkeit der Prozessparameter verschiedener Strahlen voneinander berücksichtigt wird.
Ein Vorteil hiervon ist, dass das Objekt innerhalb sehr kurzer Zeit hergestellt werden kann. Zudem können Fehler technisch einfach erkannt werden. Durch das Erwärmen der Teilbereiche kann der jeweilige Teilbereich teilweise oder vollständig geschmolzen bzw. verflüssigt werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass durch die Berücksichtigung der Abhängigkeit der Prozessparameter voneinander, der Herstellungsprozess und somit die Qualität des hergestellten Objekts besonders effizient verbessert wird. Beispielsweise ist es möglich, dass die Bewegungsgeschwindigkeit des Ausgangsmaterials relativ zu den Strahlelementen für alle Strahlelemente gleich groß ist. Somit kann das Erwärmen eines Teilbereichs durch eine erste Strahleinrichtung nicht unabhängig von dem Erwärmen eines Teilbereichs durch eine zweite Strahleinrichtung durchgeführt werden. Somit wird keine Optimierung für das einzelne Strahlelement losgelöst von den anderen Strahlelementen durchgeführt, sondern es wird eine Optimierung für die Herstellungsvorrichtung insgesamt und somit für das Objekt bzw. die Objekte insgesamt durchgeführt. Ein weiteres Beispiel für die Abhängigkeit der Prozessparameter verschiedener Strahlen voneinander ist die Temperatur des Ausgangsmaterials, welche für zueinander unmittelbar benachbarte Strahlelemente bzw. für durch die Strahlen bestrahlte unmittelbar zueinander benachbarte Teilbereiche des Ausgangsmaterials nicht vollständig unabhängig voneinander gesteuert bzw. eingestellt werden kann, da sich die in das Ausgangsmaterial eingebrachte Wärme ausbreitet. Somit kann auch dieser Effekt bzw. dies Abhängigkeit bei dem Verändern der Prozessparameter berücksichtigt werden, indem die Temperatur, auf die das Ausgangsmaterial jeweils durch die Strahlen erwärmt wird bzw. werden soll, für zueinander unmittelbar benachbarte Strahlen nicht auf Werte eingestellt wird, die zu stark (z.B. mehr als 10 °C oder mehr als 20 °C) voneinander abweichen. Hierdurch kann der Herstellungsprozess besonders effizient verbessert werden. Die Prozessparameter, die verändert werden, können beispielsweise die Zeitdauer des Erwärmens des jeweiligen Teilbereichs, die Energie bzw. Leistung bzw. Intensität der einzelnen Strahlen, die Bewegungsgeschwindigkeit der Strahlen über das Ausgangsmaterial, die Fokussierung der Strahlen auf das Ausgangsmaterial, die relative Bewegung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit des Ausgangsmaterials relativ zu den Strahlelementen und/oder die Wärme, die durch eine Heizeinrichtung in das Ausgangsmaterial eingebracht wird, umfassen. Das Verändern der Prozessparameter kann ein Verbessern und/oder Optimieren der Prozessparameter bzw. der Qualität bzw. von Eigenschaften des Objekts umfassen oder sein. Das Verbessern und/oder Optimieren kann mittels eines maschinellen Lernsystems durchgeführt werden. Die Prozessparameter bestimmen, wie das Ausgangsmaterial bearbeitet bzw. erwärmt wird und bestimmen somit die Qualität bzw. Eigenschaften des Objekts. Das Berücksichtigen der Abhängigkeit der Prozessparameter verschiedener Strahlen voneinander kann insbesondere bedeuteten, dass die Prozessparameter der Strahlen nicht unabhängig voneinander bestimmt bzw. optimiert werden, sondern die Korrelationen der Prozessparameter unterschiedlicher Strahlen und/oder Teilbereiche des Ausgangsmaterials bzw. des teilhergestellten Objekts zueinander beachtet werden. Beispielsweise ist es in der Regel nicht möglich, einen ersten Teilbereich auf eine sehr hohe Temperatur zu erwärmen und einen zweiten Teilbereich, der unmittelbar benachbart zu dem ersten Teilbereich ist, im Wesentlichen nicht zu erwärmen, da sich Wärme in dem Ausgangsmaterial bzw. teilhergestellten Objekt ausbreitet bzw. Wärme diffundiert. Eine solche (Einzel-)Optimierung der Prozessparameter der Strahlen wird daher typischerweise beim Berücksichtigen der Abhängigkeiten der Prozessparameter verschiedenen Strahlen voneinander nicht gewählt.
Insbesondere wird die Aufgabe auch durch eine Herstellungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial gelöst, wobei die Herstellungsvorrichtung folgendes umfasst: eine Vielzahl von Strahlelementen zum Ausstrahlen von Strahlen auf Teilbereiche des Ausgangsmaterials zum Erwärmen der Teilbereiche des Ausgangsmaterials, eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern der Herstellungsvorrichtung derart, dass Strahlen auf Teilbereiche des Ausgangsmaterials zum Erwärmen der Teilbereiche ausgesandt werden, und eine Messeinrichtung zum Erfassen von Messdaten des Ausgangsmaterials, des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts und/oder der Herstellungsvorrichtung, wobei die Steuerungsvorrichtung zum Verändern von Prozessparametern des Erwärmens der Teilbereiche des Ausgangsmaterials durch die Strahlen zum Verbessern des Herstellungsprozesses auf Basis der Messdaten ausgebildet ist, wobei bei dem Verändern der Prozessparameter die Abhängigkeit der Prozessparameter verschiedener Strahlen voneinander berücksichtigt werden. Vorteilhaft an dieser Herstellungsvorrichtung ist, dass die Herstellungsvorrichtung das Objekt innerhalb eines kurzen Zeitraums herstellen kann. Darüber hinaus können bei der Herstellungsvorrichtung Fehler des teilhergestellten Objekts, vollständig hergestellten Objekts und/oder der Herstellungsvorrichtung technisch einfach erkannt werden. Vorteilhaft an der Herstellungsvorrichtung ist, dass durch die Berücksichtigung der Abhängigkeit der Prozessparameter voneinander, der Herstellungsprozess der Herstellungsvorrichtung und somit die Qualität des mit der Herstellungsvorrichtung hergestellten Objekts besonders effizient verbessert wird. Bei der Herstellungsvorrichtung ist es beispielsweise möglich, dass die Bewegungsgeschwindigkeit des Ausgangsmaterials relativ zu den Strahlelementen für alle Strahlelemente gleich groß ist. Aus diesem Grund kann die Herstellungsvorrichtung in der Regel einen Teilbereich durch eine erste Strahleinrichtung nicht unabhängig von dem Erwärmen eines Teilbereichs durch eine zweite Strahleinrichtung erwärmen. Folglich führt die Herstellungsvorrichtung keine Optimierung für den einzelnen Strahl bzw. das einzelne Strahlelement losgelöst von den anderen Strahlelementen durch, sondern die Herstellungsvorrichtung optimiert den Herstellungsprozess bzw. die Strahlen der Herstellungsvorrichtung insgesamt und folglich die Qualität des Objekts bzw. der Objekte insgesamt. Ein Beispiel für die Abhängigkeit der Prozessparameter verschiedener Strahlen der Herstellungsvorrichtung voneinander ist die Temperatur des Ausgangsmaterials, welche für zueinander unmittelbar benachbarte Strahlelemente bzw. für durch die Strahlen der Herstellungsvorrichtung bestrahlte unmittelbar zueinander benachbarte Teilbereiche des Ausgangsmaterials nicht vollständig unabhängig voneinander gesteuert bzw. eingestellt werden kann, da sich die in das Ausgangsmaterial eingebrachte Wärme ausbreitet. Somit kann auch dieser Effekt bzw. diese Abhängigkeit bei dem Verändern der Prozessparameter berücksichtigt werden, indem die Temperatur, auf die das Ausgangsmaterial jeweils durch die Strahlen der Herstellungsvorrichtung erwärmt wird bzw. werden soll, für zueinander unmittelbar benachbarte Strahlen nicht auf Werte eingestellt wird, die zu stark (z.B. mehr als 10 °C oder mehr als 20 °C) voneinander abweichen. Hierdurch kann die Herstellungsvorrichtung den Herstellungsprozess besonders effizient verbessern. Die Prozessparameter, die verändert werden, können beispielsweise die Zeitdauer des Erwärmens des jeweiligen Teilbereichs, die Energie bzw. Leistung bzw. Intensität der einzelnen Strahlen, die Bewegungsgeschwindigkeit der Strahlen über das Ausgangsmaterial, die Fokussierung der Strahlen auf das Ausgangsmaterial, die relative Bewegung und/oder Bewegungsgeschwindigkeit des Ausgangsmaterials relativ zu den Strahlelementen und/oder die Wärme, die durch eine Heizeinrichtung in das Ausgangsmaterial eingebracht wird, umfassen. Das Verändern der Prozessparameter kann ein Verbessern und/oder Optimieren der Prozessparameter bzw. der Qualität bzw. von Eigenschaften des Objekts umfassen oder sein. Das Verbessern und/oder Optimieren kann mittels eines maschinellen Lernsystems durchgeführt werden. Die Prozessparameter bestimmen, wie die Herstellungsvorrichtung das Ausgangsmaterial bearbeitet bzw. erwärmt, und bestimmen somit die Qualität bzw. Eigenschaften des durch die Herstellungsvorrichtung hergestellten Objekts. Das Berücksichtigen der Abhängigkeit der Prozessparameter verschiedener Strahlen voneinander kann insbesondere bedeuteten, dass die Prozessparameter der Strahlen der Herstellungsvorrichtung nicht unabhängig voneinander bestimmt bzw. optimiert werden, sondern die Korrelationen der Prozessparameter unterschiedlicher Strahlen zueinander beachtet wird. Beispielsweise ist es in der Regel nicht möglich, einen ersten Teilbereich auf eine sehr hohe Temperatur zu erwärmen und einen zweiten Teilbereich, der unmittelbar benachbart zu dem ersten Teilbereich ist, im Wesentlichen nicht zu erwärmen, da sich Wärme in dem Ausgangsmaterial bzw. teilhergestellten Objekt ausbreitet bzw. Wärme diffundiert. Eine solche (Einzel-)Optimierung der Prozessparameter der Strahlen wird daher durch die Herstellungsvorrichtung typischerweise beim Berücksichtigen der Abhängigkeiten der Prozessparameter verschiedenen Strahlen voneinander nicht gewählt.
Die Aufgabe wird auch durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, das von einem Prozessor eines Computers lesbare Instruktionen aufweist, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, Steuersignale für eine Herstellungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial zu erzeugen, die die Herstellungsvorrichtung veranlassen, das oben beschriebene Verfahren auszuführen. Ebenfalls wird die Aufgabe durch ein computerlesbares Medium gelöst, auf dem das Computerprogrammprodukt gespeichert ist.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner folgende Schritte: Erkennen eines Fehlers bei einem ersten Strahlelement der Vielzahl von Strahlelementen; Abschalten des ersten Strahlelements; und Neuzuordnen von mindestens einem Teilbereich des Ausgangsmaterials, der dem ersten Strahlelement zugeordnet war, zu den anderen Strahlelementen. Vorteilhaft hieran ist, dass die Strahlelemente besonders effizient verwendet werden. Durch dieses Verfahren kann ein erstes Strahlelement oder können mehrere erste Strahlelemente abgeschaltet werden, ohne dass es zu nennenswerten Verzögerungen bei der additiven Herstellung des Objekts kommt. Somit kann die Herstellungszeit des Objekts bei einem oder mehreren fehlerhaften Strahlelementen optimiert werden. Ein Fehler bei einem Strahlelement kann eine Fehlfunktion des Strahlelements oder der Strahlquelle des Strahlelements sein. Auch denkbar ist, dass ein Fehler bei einem Strahlelement vorhanden ist, wenn die Teilbereiche des Ausgangsmaterials, die von dem jeweiligen Strahl bzw. Strahlelement bestrahlt oder bearbeitet werden, nicht in ausreichender bzw. guter Qualität bearbeitet werden oder wurden. Dies bedeutet, dass, wenn ein Objekt beispielsweise an einer Stelle bzw. einem Teilbereich einen Fehler aufweist, wobei der Teilbereich hauptsächlich oder vollständig von einem ersten Strahlelemente bearbeitet wurde, das erste Strahlelement vermutlich einen Fehler aufweist. Möglich ist auch, dass diese Feststellung erst getroffen wird, wenn mehrere Objekte im selben Teilbereich, der von dem ersten Strahlelement bearbeitet wurde, einen Fehler aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden bei dem Verändern der Prozessparameter zum Verbessern des Herstellungsprozesses unterschiedlichen Strahlelementen unterschiedlich große Wertungsgewichte zugewiesen. Ein Vorteil hiervon ist, dass bei dem Verändern der Prozessparameter zum Verbessern des Herstellungsprozesses die Form des Objekts berücksichtigt werden kann. Beispielsweise kann einem ersten Strahlelement, das zu einem Zeitpunkt eine Kante des Objekts herstellt, ein größeres Gewicht zugewiesen werden als einem zweiten Strahlelement, das zu einem Zeitpunkt einen inneren Teil des Objekts herstellt. Die Qualität einer Kante eines Objekts ist typischerweise wichtiger als ein innerer Teil des Objekts. Auf diese Weise kann die Qualität des Objekts an den wichtigsten bzw. relevantesten Teilen des Objekts erhöht werden. Die wichtigsten Teile bzw. relevantesten Teile des Objekts können vom Einsatzzweck abhängen. Die wichtigsten Teile bzw. relevantesten Teile des Objekts können die Teile sein, deren Qualität bei einem Einsatz des Objekts besonders große positive und/oder negative Auswirkungen haben. Ein größeres Wertungsgewicht eines Strahlelements kann insbesondere bedeuteten, dass die Prozessparameter dieses Strahlelements näher an ihrem optimalen Punkt bzw. Idealpunkt eingestellt werden als bei einem gleichartigen Strahlelement, das ein geringeres Wertungsgewicht aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner folgende Schritte: Erkennen eines Fehlers des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts auf Basis der Messdaten; Entscheiden, ob der erkannte Fehler repariert wird oder nicht repariert wird abhängig von dem Anteil des vollständigen Objekts, zu dem das teilhergestellte Objekt bereits hergestellt wurde, von der Anzahl der durch die Herstellungsvorrichtung gerade gleichzeitig hergestellten Objekte und abhängig von dem Verhältnis zwischen der benötigten Zeit für das Reparieren des Fehlers und der benötigten Zeit für das Herstellen eines vollständigen Objekts aus dem Ausgangsmaterial; und Reparieren des Fehlers, wenn entschieden wurde, den Fehler zu reparieren. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Herstellungsvorrichtung besonders zeiteffizient verwendet wird. Es wurde erkannt, dass bei einer Herstellungsvorrichtung mit vielen Strahlelementen bzw. vielen Strahlen (z.B. einigen Dutzend, 100, Hunderten, Tausend oder mehr als Tausend) in vielen Situationen eine Reparatur eines Fehlers, auch wenn dies technisch möglich ist, nicht sinnvoll ist, da das Herstellen weiterer Objekte hierdurch verzögert wird. Wenn die Objekte schnell bzw. innerhalb kurzer Zeit hergestellt werden können und/oder eine große Anzahl von Objekten gleichzeitig hergestellt werden können und/oder die Reparatur lange dauert, lohnt eine Reparatur üblicherweise nicht und wird dementsprechend nicht durchgeführt. Das Nichtlohnen der Reparatur bedeutet, dass pro Zeiteinheit mehr fehlerfreie Objekte hergestellt werden können, wenn das Objekt mit Fehler nicht repariert wird, sondern als Ausschuss deklariert wird.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner folgende Schritte: Erkennen eines Fehlers des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts auf Basis der Messdaten; Reparieren des erkannten Fehlers mittels einer oder mehrerer Strahlelemente der Herstellungsvorrichtung, während andere Strahlelemente der Vielzahl von Strahlelementen das Objekt weiter aus dem Ausgangsmaterial herstellen. Vorteilhaft hieran ist, dass die Herstellungsvorrichtung möglichst zeiteffizient verwendet wird. Der Herstellungsprozess muss somit für die Reparatur nicht vollständig bzw. insgesamt unterbrochen werden. Ein Teil oder der größte Teil der Herstellungsvorrichtung bzw. der Strahlelemente kann während der Reparatur die Herstellung des Objekts fortsetzen.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner folgenden Schritt: Bewegen des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts weg von den Strahlelementen zu einer Messstation mit einer oder mehreren Messeinrichtungen zum Messen von Eigenschaften des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts und/oder zum Erkennen von Fehlern des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts. Vorteilhaft hieran ist, dass die Strahlelemente ein weiteres Objekt oder weitere Objekte herstellen können, während ein anderes teilhergestelltes oder vollständig hergestelltes Objekt von der Messstation bzw. der einen oder den mehreren Messeinrichtungen vermessen bzw. untersucht wird. Somit können die Strahlelemente besonders effizient genutzt werden und sehr viele Objekte innerhalb kurzer Zeit hergestellt werden. Typischerweise wird das teilhergestellte oder vollständig hergestellte Objekt zusammen mit einer Unterlage, auf der das teilhergestellte oder vollständig hergestellte Objekt liegt, bewegt. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner folgenden Schritt: Bewegen des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts, das einen Fehler aufweist, zu einer Reparaturvorrichtung zum Reparieren von Fehlern des Objekts. Vorteilhaft hieran ist, dass die Strahlelemente ein weiteres Objekt herstellen können, während das teilhergestellte oder vollständig hergestellte Objekt repariert wird. Dies erhöht die Effizienz der Herstellungsvorrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das teilhergestellte Objekt an der Reparaturvorrichtung vorbei direkt von der Messstation zu einer Auftragsvorrichtung zum Aufträgen von Ausgangsmaterial auf das teilhergestellte Objekt bewegt. Ein Vorteil hiervon ist, dass nicht jedes teilhergestellte oder vollständig hergestellte Objekt durch die Reparaturvorrichtung bewegt werden muss. Dies erhöht die Benutzungseffizienz der Reparaturvorrichtung und/oder verkürzt die Zeit zum Herstellen des vollständigen Objekts.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Prozessparameter während des Herstellens eines Objekts verändert. Ein Vorteil hiervon ist, dass bereits eine nächste Lage des Objekts, das hergestellt wird, mittels der verbesserten Prozessparameter hergestellt werden kann. Somit können Fehler in einer Lage bereits in der nächsten Lage vermieden oder zumindest vermindert werden. Dies erhöht die Qualität des hergestellten Objekts noch weiter.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Prozessparameter nach dem vollständigen Herstellen eines ersten Objekts und vor dem Herstellen eines zweiten Objekts verändert. Vorteilhaft hieran ist, dass das zweite Objekt von Anfang an mit den verbesserten Prozessparameter hergestellt werden kann. Folglich wird das Objekt mit einer sehr hohen Qualität bzw. Präzision hergestellt.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Messdaten von Messeinrichtungen erfasst, die zwischen den Strahlelementen der Herstellungsvorrichtung, insbesondere regelmäßig, angeordnet sind. Ein Vorteil hiervon ist, dass keine separate Messeinrichtung, die beabstandet zu der Bestrahlungsvorrichtung bzw. den Strahlelementen angeordnet ist, benötigt wird. Somit muss das teilhergestellte oder vollständige hergestellte Objekt nicht relativ zu den Strahlelementen bewegt werden, um eine Messung durchzuführen. Somit wird Zeit gespart und das Objekt kann besonders schnell hergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens sind mehrere zweite Strahlelemente der Vielzahl von Strahlelementen in einem Modul derart zusammengefasst, dass die Strahlen der Strahlelemente des Moduls nur zusammen über das Ausgangsmaterial bewegbar sind. Vorteilhaft hieran ist, dass die zweiten Strahlelemente zusammen bewegt werden, so dass die Ausrichtung der zweiten Strahlelemente zueinander stets unverändert ist. Dies verringert den Regelungs- und Aktuierungsaufwand des Schreibprozesses.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens sind zumindest einige der Steuerungselemente der Strahlelemente zum Bewegen der Strahlen über das Ausgangsmaterial im Wesentlichen baugleich zu Steuerungselementen der Messeinrichtungen zum Bewegen des Messbereichs über das Ausgangsmaterial. Ein Vorteil hiervon ist, dass eine besonders kostengünstige Herstellungsvorrichtung verwendet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens erfasst die Messeinrichtung die gesamte Breite des Ausgangsmaterials, insbesondere die gesamte Oberfläche des Ausgangsmaterials. Vorteilhaft hieran ist, dass das Ausgangsmaterial, wenn nicht die gesamte Länge des Ausgangsmaterials durch die Messeinrichtung auf einmal erfassbar ist, nur in eine Richtung bewegt werden muss. Hierdurch wird die Zeit, die für die Durchführung der Messung benötigt wird, verkürzt.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Steuerungseinrichtung derart ausgebildet, dass beim Erkennen eines Fehlers bei einem ersten Strahlelement der Vielzahl von Strahlelementen das erste Strahlelement abgeschaltet wird und mindestens ein Teilbereich des Ausgangsmaterials, der dem ersten Strahlelement zugeordnet war, zu den anderen Strahlelementen neuzugeordnet wird. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Herstellungsvorrichtung die Strahlelemente besonders effizient verwendet. Die Herstellungsvorrichtung kann ein erstes Strahlelement oder mehrere erste Strahlelemente abschalten, ohne dass es zu nennenswerten Verzögerungen bei der additiven Herstellung des Objekts durch die Herstellungsvorrichtung kommt. Folglich kann die Zeit, die die Herstellungsvorrichtung zum Herstellen des Objekts benötigt, bei dem Vorhandensein eines oder mehrerer fehlerhafter Strahlelemente optimiert werden. Ein Fehler bei einem Strahlelement der Herstellungsvorrichtung kann eine Fehlfunktion des Strahlelements oder der Strahlquelle des Strahlelements sein. Auch denkbar ist, dass ein Fehler bei einem Strahlelement der der Herstellungsvorrichtung vorhanden ist, wenn die Teilbereiche des Ausgangsmaterials, die von dem jeweiligen Strahl bzw. Strahlelement bestrahlt oder bearbeitet werden, nicht in ausreichender bzw. guter Qualität bearbeitet werden oder wurden. Dies bedeutet, dass, wenn ein Objekt beispielsweise an einer Stelle bzw. einem Teilbereich einen Fehler aufweist, wobei der Teilbereich hauptsächlich oder vollständig von einem ersten Strahlelemente bearbeitet wurde, das erste Strahlelement der der Herstellungsvorrichtung vermutlich einen Fehler aufweist. Möglich ist auch, dass die Herstellungsvorrichtung diese Feststellung erst trifft, wenn mehrere Objekte im selben Teilbereich, der von dem ersten Strahlelement bearbeitet wurde, einen Fehler aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Herstellungsvorrichtung zum Zuweisen unterschiedlich großer Wertungsgewichte zu unterschiedlichen Strahlelementen bei dem Verändern der Prozessparameter zum Verbessern des Herstellungsprozesses ausgebildet. Vorteilhaft hieran ist, dass die Herstellungsvorrichtung die Form des Objekts beim Verändern oder Optimieren der Prozessparameter berücksichtigen kann. Beispielsweise kann die Herstellungsvorrichtung einem ersten Strahlelement, das zu einem Zeitpunkt eine Kante des Objekts herstellt, ein größeres Gewicht zugewiesen werden als einem zweiten Strahlelement, das zu einem Zeitpunkt einen inneren Teil des Objekts herstellt. Die Qualität einer Kante eines Objekts ist typischerweise wichtiger als ein innerer Teil des Objekts. In Folge kann die Qualität des von der Herstellungsvorrichtung hergestellten Objekts an den wichtigsten bzw. relevantesten Teilen des Objekts verbessert werden. Die wichtigsten Teile bzw. relevantesten Teile des mit der Herstellungsvorrichtung hergestellten Objekts können vom Einsatzzweck abhängen. Die wichtigsten Teile bzw. relevantesten Teile des Objekts können die Teile sein, deren Qualität bei einem Einsatz des Objekts besonders große positive und/oder negative Auswirkungen haben. Ein größeres Wertungsgewicht eines Strahlelements kann insbesondere bedeuteten, dass die Prozessparameter dieses Strahlelements von der Herstellungsvorrichtung näher an ihrem optimalen Punkt bzw. Idealpunkt eingestellt werden als bei einem gleichartigen Strahlelement, das ein geringeres Wertungsgewicht aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Steuerungseinrichtung zum Entscheiden, ob ein erkannter Fehler des Objekts repariert wird oder nicht repariert wird abhängig von dem Anteil des vollständigen Objekts, zu dem das Objekt bereits hergestellt wurde, von der Anzahl der durch die Herstellungsvorrichtung gerade gleichzeitig hergestellten Objekte und abhängig von dem Verhältnis zwischen der benötigten Zeit für das Reparieren des Fehlers und der benötigten Zeit für das Herstellen eines vollständigen Objekts aus dem Ausgangsmaterial, ausgebildet. Vorteilhaft an der Herstellungsvorrichtung ist, dass das Objekt besonders zeiteffizient hergestellt werden kann. Es wurde erkannt, dass bei der Herstellungsvorrichtung mit vielen Strahlelementen bzw. vielen Strahlen (z.B. einigen Dutzend, 100, Hunderten, Tausend oder mehr als Tausend) in vielen Situationen eine Reparatur eines Fehlers, auch wenn dies technisch möglich ist, nicht effizient bzw. sinnvoll ist, da das Herstellen weiterer Objekte hierdurch verzögert wird. Wenn die Herstellungsvorrichtung die Objekte schnell bzw. innerhalb kurzer Zeit herstellen kann und/oder die Herstellungsvorrichtung eine große Anzahl von Objekten gleichzeitig herstellen kann und/oder die Reparatur lange dauert, lohnt eine Reparatur üblicherweise nicht und wird dementsprechend nicht durchgeführt. Das Nichtlohnen der Reparatur bedeutet, dass mittels der Herstellungsvorrichtung pro Zeiteinheit mehr fehlerfreie Objekte hergestellt werden können, wenn das Objekt mit Fehler nicht repariert wird, sondern als Ausschuss deklariert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Herstellungsvorrichtung derart ausgebildet, dass ein erkannter Fehler des Objekts durch ein oder mehrere Strahlelemente reparierbar ist, während die anderen Strahlelemente der Vielzahl von Strahlelementen das Objekt weiter aus dem Ausgangsmaterial herstellen. Ein Vorteil der Herstellungsvorrichtung ist, dass die Herstellungsvorrichtung besonders zeiteffizient arbeiten kann. Die Herstellungsvorrichtung muss die Herstellung des Objekts für die Reparatur folglich nicht vollständig bzw. insgesamt unterbrechen. Ein Teil oder der größte Teil der Herstellungsvorrichtung bzw. der Strahlelemente kann während der Reparatur die Herstellung des Objekts fortsetzen.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Herstellungsvorrichtung derart ausgebildet, dass das teilhergestellte oder vollständig hergestellte Objekt weg von den Strahlelementen zu einer Messstation mit einer oder mehreren Messeinrichtungen zum Messen von Eigenschaften des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts und/oder zum Erkennen von Fehlern des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts bewegbar ist. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Strahlelemente der Herstellungsvorrichtung ein weiteres Objekt oder weitere Objekte herstellen kann, während ein anderes teilhergestelltes oder vollständig hergestelltes Objekt von der Messstation mit der einen oder mehreren Messeinrichtungen der Herstellungsvorrichtung vermessen bzw. untersucht wird. Somit können die Strahlelemente der Herstellungsvorrichtung besonders zeiteffizient genutzt werden und die Herstellungsvorrichtung kann sehr viele Objekte innerhalb kurzer Zeit herstellen.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Herstellungsvorrichtung derart ausgebildet, dass das teilhergestellte Objekt an einer Reparatureinrichtung vorbei direkt von der Messstation zu einer Auftragsvorrichtung zum Aufträgen von Ausgangsmaterial auf das teilhergestellte Objekt bewegbar ist. Vorteilhaft hieran ist, dass bei der Herstellungsvorrichtung nicht jedes teilhergestellte oder vollständig hergestellte Objekt durch die Reparaturvorrichtung bewegt werden muss. Dies erhöht die Benutzungseffizienz der Reparaturvorrichtung der Herstellungsvorrichtung und/oder verkürzt die Zeit, die die Herstellungsvorrichtung zum Herstellen des vollständigen Objekts benötigt.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Herstellungsvorrichtung derart ausgebildet, dass die Prozessparameter während des Herstellens eines Objekts veränderbar sind. Vorteilhaft hieran ist, dass die Herstellungsvorrichtung bereits eine nächste Lage des Objekts, welches hergestellt wird, mittels der verbesserten Prozessparameter herstellen kann. Somit kann die Herstellungsvorrichtung Fehler in einer Lage bereits in bzw. bei der nächsten Lage vermeiden oder zumindest vermindern. Dies erhöht die Qualität des Objekts, das von der Herstellungsvorrichtung hergestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Herstellungsvorrichtung derart ausgebildet, dass die Prozessparameter nach dem vollständigen Herstellen eines ersten Objekts und vor dem Herstellen eines zweiten Objekts veränderbar sind. Ein Vorteil der Herstellungsvorrichtung ist, dass die Herstellungsvorrichtung das zweite bzw. nachfolgende Objekt von Anfang an mit den verbesserten Prozessparameter herstellen kann. Somit stellt die Herstellungsvorrichtung das zweite bzw. nachfolgende Objekt mit einer sehr hohen Qualität bzw. Präzision her.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung sind zumindest ein Teil der Messeinrichtungen, insbesondere alle Messeinrichtungen, zwischen den Strahlelementen angeordnet. Vorteilhaft hieran ist, dass die Herstellungsvorrichtung keine separate Messeinrichtung, die beabstandet zu der Bestrahlungsvorrichtung bzw. den Strahlelementen angeordnet ist, benötigt. Folglich muss bei der Herstellungsvorrichtung das teilhergestellte oder vollständige hergestellte Objekt nicht relativ zu den Strahlelementen bewegt werden, um eine Messung durchzuführen. Hierdurch wird Zeit gespart und die Herstellungsvorrichtung kann das Objekt kann besonders schnell herstellen.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung sind mehrere zweite Strahlelemente der Vielzahl der Strahlelemente in einem Modul derart zusammengefasst, dass die Strahlen des Moduls nur zusammen über das Ausgangsmaterial bewegbar sind. Ein Vorteil hiervon ist, dass bei der Herstellungsvorrichtung die zweiten Strahlelemente zusammen bewegt werden, so dass die Ausrichtung der zweiten Strahlelemente zueinander stets unverändert ist. Dies erhöht die Qualität des mit der Herstellungsvorrichtung hergestellten Objekts.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung sind zumindest einige der Steuerungselemente der Strahlelemente zum Bewegen der Strahlen über das Ausgangsmaterial im Wesentlichen baugleich zu Steuerungselementen der Messeinrichtungen zum Bewegen des Messbereichs über das Ausgangsmaterial. Vorteilhaft hieran ist, dass die Herstellungsvorrichtung besonders kostengünstig ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Herstellungsvorrichtung derart ausgebildet, dass Messeinrichtungen derart angeordnet sind, dass die gesamte Breite, insbesondere die gesamte Oberfläche, des Ausgangsmaterials durch die Messeinrichtungen erfassbar ist. Ein Vorteil hiervon ist, dass bei der Herstellungsvorrichtung das Ausgangsmaterial, wenn nicht die gesamte Länge des Ausgangsmaterials durch die Messeinrichtung auf einmal erfassbar ist, nur in eine Richtung bewegt werden muss. Hierdurch wird die Zeit, die die Herstellungsvorrichtung für die Durchführung der Messung benötigt, verringert.
Die Prozessparameter können beispielsweise die Relativgeschwindigkeit zwischen der Unterlage bzw. dem Ausgangsmaterial und den Strahlelementen bzw. den Strahlen, die Fokussierung der Strahlen auf dem Ausgangsmaterial, die Zuordnung der Teilbereiche des Ausgangsmaterials zu den Strahlelementen bzw. Strahlen, die Intensität bzw. Leistung bzw. Energie der Strahlen, die Dauer der Bestrahlung eines Teilbereichs mit den Strahlen, die Geschwindigkeit, mit der die Strahlen über das Ausgangsmaterial bewegt werden, und/oder die Temperatur, auf die das Ausgangsmaterial erwärmt bzw. erhitzt wird, umfassen.
Ein Fehler des Objekts kann insbesondere ein Einschluss, eine Luftpore/Gaspore, ein Mangel an Verbindung des bearbeiten Ausgangsmaterials, ein Sprung und/oder eine Schichtspaltung/Delaminierung von mehreren Schichten des Objekts umfassen oder sein.
Die Anzahl der Strahlelemente der Vielzahl der Strahlelemente kann im Bereich von Dutzenden (z.B. 24, 40 oder 48), Hundert, einigen Hunderten (z.B. 200, 300 oder 500), Tausend oder einigen Tausend (z.B. 2000, 3000 oder 5000) liegen. Auch mehr als 5000 Strahlelemente sind vorstellbar. Dementsprechend kann auch die Anzahl der Strahlen in diesen Bereichen liegen. Es wurde erkannt, dass es bei so einer großen Anzahl von Strahlelementen bzw. Strahlen eine Vielzahl von Aspekten gibt, die bei einer Herstellungsvorrichtung mit einem Strahlelement bzw. einem Strahl oder mit fünf Strahlelementen bzw. fünf Strahlen typischerweise nicht vorhanden bzw. unbeachtlich sind. Insbesondere gibt es bei einer sehr großen Anzahl von Strahlelementen bzw. Strahlen im Bereich von Hundert oder mehr eine große Abhängigkeit der Prozessparameter der Strahlelemente bzw. der Strahlen voneinander, die zu berücksichtigen ist.
Jedes Strahlelement kann eine eigene Strahlquelle aufweisen. Mehrere Strahlen können gleichzeitig an der Herstellung desselben Objekts mitarbeiten.
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Ansicht der Strahlen der Herstellungsvorrichtung aus Fig. 1 ;
Fig. 3 eine schematische Ansicht der Strahlen einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung; Fig. 4 eine schematische Ansicht der Strahlelemente einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung;
Fig. 5 eine schematische Aufsicht auf das Ausgangsmaterial der Herstellungsvorrichtung aus Fig. 1 ;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Qualität der Prozessparameter eines ersten Strahlelements;
Fig. 7 eine schematische Darstellung der Qualität der Prozessparameter eines zweiten Strahlelements;
Fig. 8 eine erste kombinierte Ansicht der Fig. 6 und Fig. 7;
Fig. 9 eine zweite kombinierte Ansicht der Fig. 6 und Fig. 7;
Fig. 10 eine schematische Ansicht der Strahlelemente einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung;
Fig. 11 eine schematische Ansicht der Strahlelemente einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung;
Fig. 12 eine schematische Ansicht zweier unterschiedlicher mittels der Herstellungsvorrichtung aus Fig. 1 hergestellter bzw. herzustellender Objekte;
Fig. 13a eine schematische Ansicht des Herstellungsprozesses von fünf Objekten ohne Fehler;
Fig. 13b eine weitere schematische Ansicht des Herstellungsprozesses von fünf Objekten ohne Fehler;
Fig. 14a eine schematische Ansicht des Herstellungsprozesses von fünf Objekten mit einem Fehler;
Fig. 14b eine weitere schematische Ansicht des Herstellungsprozesses von fünf Objekten mit einem Fehler;
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung;
Fig. 16 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung;
Fig. 17a eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung; Fig. 17b eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung;
Fig. 17c eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung; und
Fig. 18 eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung.
Bei der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10. Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht der Strahlen der Herstellungsvorrichtung 10 aus Fig. 1.
Die Herstellungsvorrichtung 10 ist zum additiven Herstellen eines Objekts 22-26 aus einem Ausgangsmaterial 20 ausgebildet (auch 3D-Drucken genannt). Das Objekt 22-26 kann beispielsweise ein Zahnrad sein. Die Herstellungsvorrichtung 10 umfasst eine Vielzahl von Strahlelementen 27-32. Die Strahlelemente 27-32 strahlen jeweils einen oder mehrere Strahlen 33, 34 auf das Ausgangsmaterial 20. Die Strahlen 33, 34 können verkippbar sein, so dass deren Auftreffpositionen auf dem Ausgangsmaterial 20 veränderbar sein können. Durch die Strahlen 33, 34 wird das Ausgangsmaterial 20 erhitzt bzw. erwärmt, so dass dieses schmilzt oder zumindest teilweise flüssig wird. Die Strahlen 33, 34 können Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, und/oder Elektronenstrahlen umfassen oder sein. Das Ausgangsmaterial 20 kann Kunststoff und/oder Metall und/oder eine Metalllegierung umfassen oder sein. Typischerweise umfasst das Ausgangsmaterial 20 Pulver, von dem eine Schicht auf eine Unterlage 21 aufgetragen bzw. aufgebracht wird. Anschließend wird die jeweilige Schicht teilweise bestrahlt und nachfolgend die nächste Schicht aufgetragen.
Die Prozessparameter des Herstellungsprozesses bestimmen die Qualität des hergestellten Objekts 22-26 und/oder die Herstellungszeit, die für das Herstellen des Objekts 22-26 benötigt wird. Eine Steuerungsvorrichtung 15 steuert die Prozessparameter bzw. stellt die
Prozessparameter der Herstellungsvorrichtung 10 bzw. der Strahlelemente 27-32 ein.
In Fig. 2 sind die Strahlelemente 27-32 in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Die Abstände der Strahlelemente 27-32 zueinander sind äquidistant. In Fig. 2 ist ein Schreibkreis 40 eines Strahlelements 27-32 (das sich in der Mitte des Schreibkreises befindet) dargestellt. Der Schreibkreis 40 zeigt, welcher Teilbereich des Ausgangsmaterials 20 mittels des Strahlelements 27-32 bzw. mittels des Strahls 33, 34 des Strahlelements 27-32 bearbeitet bzw. erwärmt werden kann. Der Strahl 33, 34 des Strahlelements 27-32 in der Mitte des Schreibkreises kann über die gesamte Fläche des Schreibkreises bewegt werden, jedoch typischerweise nicht darüber hinaus. Jedes Strahlelement 27-32 kann somit einen eigenen Schreibkreis haben, bei dem sich das jeweilige Strahlelement 27-32 im Mittelpunkt des Schreibkreises befindet. Die Schreibkreise können jeweils gleichgroß sein.
Der Schreibkreis 40 muss nicht streng kreisförmig sein, sondern kann auch ellipsenförmig ausgebildet sein.
Es liegt beispielhaft eine zehnfache Redundanz der Strahlelemente 27-32 vor. In Fig. 2 kann jeder Teilbereich bzw. jeder Punkt des Ausgangsmaterials 20 von zehn verschiedenen Strahlelementen 27-32 aus erreicht bzw. bestrahlt werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht der Strahlen 33, 34 einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10. In Fig. 3 sind mehrere Schreibkreise 40- 42 gezeigt.
Die Strahlelemente 27-32 sind bei der zweiten Ausführungsform wie bei der ersten Ausführungsform angeordnet. Ein Unterschied ist, dass nicht jedes Strahlelement 27-32 einen eigenen Schreibkreis hat. Die mit den Zahlen 2, 3 und 4 bezeichneten Strahlen bzw. Strahlelemente 27-32 in Fig. 3 haben einen gemeinsamen Schreibkreis 41. Dies bedeutet, dass die drei Strahlen 33, 34 der drei Strahlelemente 27-32, die mit 2, 3 und 4 in Fig. 3 bezeichnet sind, jeweils nur in dem Teilbereich des gemeinsamen Schreibkreises 2, 3, 4 bzw. 40-42 bewegt werden können, jedoch typischerweise nicht darüber hinaus. Beispielsweise weisen die drei Strahlen 33, 34 bzw. Strahlelemente 27-32 eine gemeinsame f-Theta-Optik und/oder eine gemeinsame Fourier-Optik auf. Die mit den Zahlen 5 und 6 bezeichneten Strahlen weisen ebenfalls einen gemeinsamen Schreibkreis 42 auf. D.h. die Strahlen 5 und 6 können nur innerhalb des mit 5, 6 bezeichneten Schreibkreises 42 bewegt werden. Ein weiterer Unterschied ist, dass die Strahlelemente 27-32 bzw. Strahlen jeweils nicht im Mittelpunkt des jeweiligen Schreibkreises liegen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht der Strahlelemente 27-32 einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10.
Bei der dritten Ausführungsform sind zwischen den Strahlelementen 27-32 Messeinrichtungen 60, 61 angeordnet. An manchen Stellen, an denen üblicherweise ein Strahlelement 27-32 angeordnet ist, ist eine Messeinrichtung 60, 61 angeordnet. Die Messeinrichtungen 60, 61 sind in dieser Ausführung ebenfalls äquidistant zueinander in einem rechtwinkligen Muster regelmäßig angeordnet. Die Messeinrichtungen 60, 61 sind derart angeordnet, dass die gesamte Fläche bzw. zumindest die gesamte Breite des Ausgangsmaterials 20 bzw. der Unterlage 21 durch die Messeinrichtungen 60, 61 erfasst werden kann. Die Messeinrichtungen 60, 61 können über das Ausgangsmaterial 20 bewegt werden, beispielsweise bei einer Messung des Ausgangsmaterials 20 bzw. des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts 22-26 mittels eines Laserstrahls. Die Vorrichtung/Vorrichtungen zum Bewegen der Strahlen der Messeinrichtungen 60, 61 kann/können im Wesentlichen bzw. größtenteils baugleich oder identisch zu der Vorrichtung/den Vorrichtungen zum Bewegen der Strahlen 33, 34 der Strahlelemente 27-32 sein. Der Erfassungskreis, d.h. die Teilfläche des Ausgangsmaterials 20, die von einer Messeinrichtung 60, 61 erfasst werden kann, kann dem Schreibkreis bzw. der Form des Schreibkreises entsprechen bzw. die Flächen können gleichgroß sein. Eine Bewegung der Strahlen der Messeinrichtungen 60, 61 kann insbesondere bedeuten, dass die Messeinrichtungen 60, 61 selbst nicht bewegt werden, aber die jeweilige Position bzw. der jeweilige Auftreffpunkt der Strahlen der Messeinrichtungen 60, 61 auf dem Ausgangsmaterial, der Unterlage 21, dem teilhergestellten Objekt oder dem vollständig hergestellten Objekt verändert bzw. bewegt wird. Eine Bewegung der Strahlen 33, 34 der Strahlelemente 27-32 kann insbesondere bedeuten, dass die Strahlelemente 27-32 selbst nicht bewegt werden, aber die jeweilige Position bzw. der jeweilige Auftreffpunkt der Strahlen 33, 34 der Strahlelemente 27-32 auf dem teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts verändert wird. Dies kann z.B. durch eine Optik durchgeführt werden. Denkbar ist jedoch auch, dass die Messeinrichtungen 60, 61 passive Elemente sind, wie z.B. eine Kamera, die großflächig Signale aufnehmen kann, so dass eine Bewegung von Strahlen der Messeinrichtungen 60, 61 über das Ausgangsmaterial 20 nicht notwendig ist.
Die Messeinrichtungen 60, 61 können derart ausgebildet sind, dass bereits während des Ausstrahlens der Strahlen 33, 34 durch die Strahlelemente 27-32 auf das Ausgangsmaterial 20 eine Messung durchgeführt wird.
Die Messeinrichtungen 60, 61 können die Temperatur der Strahlelemente 27-32, die Intensität bzw. Leistung der Strahlen 33, 34 der Strahlelemente 27-32, die Temperatur des Ausgangsmaterials 20 und/oder des teilweise hergestellten Objekts 22-26, die Oberflächenstruktur und ähnliche Eigenschaften erfassen. Insbesondere auch die innere Struktur des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekt unterhalb der Oberfläche z.B. durch eine thermische Anregung und nachfolgende Detektion der Oberflächentemperatur oder Oberflächentopographie (Thermographiemessung). Es kann hierbei eine Messung wie in der WO 2018/234 331 A1 beschrieben durchgeführt werden.
Die Anzahl der Messeinrichtungen 60, 61 sollte derart minimal gewählt werden, dass möglichst viele Strahlelemente 27-32 in einer Fläche angeordnet werden können, aber die gesamte Fläche des Ausgangsmaterials 20 bzw. der Unterlage 21 oder zumindest die gesamte Breite des Ausgangsmaterials 20 bzw. der Unterlage 21 von den Messeinrichtungen 60, 61 erfasst bzw. vermessen werden können. Die Messeinrichtungen 60, 61 können in einem rechtwinkligen Muster oder in einem hexagonalen Muster angeordnet werden.
Wenn die Messeinrichtungen 60, 61 in einem rechtwinkligen Muster angeordnet sind, so sollte ihre diagonale Distanz zueinander 2 * R betragen, wobei R der Radius des Kreises ist, innerhalb dessen das Ausgangsmaterial 20 von der Messeinrichtung 60, 61 erfasst werden kann (auch Erfassungskreis genannt). Somit beträgt die maximale horizontale und vertikale Distanz der Messeinrichtungen 60, 61 zueinander Dq=V2 * R ~ 1,41 * R. Jenseits dieses Abstandes werden nicht mehr alle Bereiche der Bauplattform von den Messvorrichtungen erreicht. Die erste horizontale bzw. vertikale Reihe von Messeinrichtungen 60, 61 sollte einen Abstand von sin(45°)*R=R /2 zu der Ecke des Ausgangsmaterial 20 bzw. der Unterlagen 21 betragen. Bei einer hexagonalen Anordnung der Messeinrichtungen 60, 61 sollte der Abstand von zwei Messeinrichtungen 60, 61 zueinander Dh=2*cos(30°)*R=1 ,73*R betragen, wobei R der Radius des Kreises ist, innerhalb dessen das Ausgangsmaterial 20 von der Messeinrichtung 60, 61 erfasst werden kann (auch Erfassungskreis genannt). Die erste horizontale Reihe sollte einen Abstand von sin(30°)*R=R/2 zu der Ecke des Ausgangsmaterials 20 bzw. der Unterlage 21 betragen. Der Abstand zu der vertikalen Kante der Messeinrichtungen 60, 61 sollte abwechselnd cos(30°)*R=0,87R und 0 betragen.
Bei bestimmten Messungen, z.B. Thermographie-Messungen unterhalb der Oberfläche, kann es sinnvoll sein, dass zwei Messeinrichtungen 60, 61 denselben Teilbereich des Ausgangsmaterials 20 vermessen bzw. erfassen können. Hierbei wird zusätzlich zum ersten Satz von Messeinrichtungen 60, 61 , die oben beschrieben sind, ein zweiter Satz von Messeinrichtungen 60, 61 benötigt. Vorzugsweise sollten die Messeinrichtungen 60, 61 des zweiten Satzes von Messeinrichtungen 60, 61 jeweils an den Schnittpunkten des ersten Satzes von Messeinrichtungen 60, 61 angeordnet sein.
Die Messeinrichtungen 60, 61 sind in räumlicher Nähe bzw. unmittelbar benachbart zu den manchen der Strahlelemente 27-32 angeordnet. Auf diese Weise kann das Bestrahlen des Ausgangsmaterials 20 mit den Strahlen 33, 34 und die Veränderung des Ausgangsmaterials 20 während des Schreibprozesses erfasst bzw. gemessen werden. Auch kann die fertig hergestellte Schicht des Ausgangsmaterials 20 erfasst bzw. gemessen werden. Letztes kann auch nach einem Abkühlen des Ausgangsmaterials 20 durchgeführt werden.
Die Messeinrichtungen 60, 61 können Fehler der Strahlelemente 27-32, des teilweise hergestellten oder vollständig hergestellten Objekts 22-26 erfassen bzw. erkennen. Es ist denkbar, dass auch bei dem Vorhandensein von Fehlern das Objekt 22-26 trotzdem für akzeptabel gewertet wird, da die Qualität des Objekts 22-26 trotzdem über einem vorbestimmten Mindestwert liegt. Vorstellbar ist auch, dass die Messeinrichtungen 60, 61 nur Eigenschaften des Objekts 22-26 erfassen und kein Feststellen von Fehlern durchgeführt wird. Fig. 5 zeigt eine schematische Aufsicht auf das Ausgangsmaterial 20 der Herstellungsvorrichtung 10 aus Fig. 1.
Auf der linken und rechten Seite der Unterlage 21 bzw. des Ausgangsmaterial 20 sind jeweils drei Heizeinrichtungen 100-105 angeordnet. Die Heizeinrichtungen 100-105 wärmen das Ausgangsmaterial 20 vor, so dass der Strahl 33, 34 zum Schmelzen des Ausgangsmaterials 20 nur noch sehr wenig Energie in das Ausgangsmaterial 20 einbringen muss. Beispielhaft in Fig. 5 ist ein Temperaturgradient in Form eines Pfeils gezeigt. Die Temperatur des Ausgangsmaterials 20 fällt entlang des gezeigten Pfeils ab. Hierdurch wird verdeutlicht, dass die Temperatur des Ausgangsmaterials 20 bzw. des teilhergestellten Objekts 22-26, nicht für jedes Strahlelement 27-32 bzw. jeden Strahl 33, 34 bzw. für jeden Teilbereich des Ausgangsmaterials 20 unabhängig voneinander eingestellt werden kann. Wenn man einen ersten Teilbereich des Ausgangsmaterials 20 mittels den Heizeinrichtungen 100-105 und/oder den Strahlen 33, 34 erwärmt, so wird auch ein zweiter Teilbereich, der unmittelbar benachbart zu dem ersten Teilbereich ist, erwärmt, auch wenn dies unter Umständen unerwünscht ist. Dies ist ein Beispiel für eine kontinuierliche Abhängigkeit der Prozessparameter der Strahlen 33, 34 bzw. Strahlelemente 27-32 voneinander, d.h. eine Abhängigkeit, die mit größerer Entfernung abnimmt und bei genügend großer Entfernung praktisch verschwindet.
Die Temperatur des Ausgangsmaterials 20 bzw. des teilhergestellten Objekts 22-26 gehört somit zu den Prozessparametern, die zwischen den Strahlelementen 27-32 bzw. Strahlen 33, 34 korrelieren. Die Temperatur von weit voneinander entfernten Teilbereichen ist größtenteils unabhängig voneinander; die Temperatur von nah benachbarten Teilbereichen des Ausgangsmaterials 20 hängt jedoch stark voneinander ab. Diese Korrelation bzw. Abhängigkeit sollte beim Einstellen bzw. Verbessern der Prozessparameter des Herstellungsprozesses beachtet werden, wenn die Herstellungsvorrichtung 10 eine (große) Vielzahl von Strahlelementen 27-32 bzw. Strahlen 33, 34 aufweist.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der Qualität der Prozessparameter eines ersten Strahlelements 27-32.
Das Ausgangsmaterial 20 kann auf der Unterlage 21 bzw. zusammen mit der Unterlage 21 relativ zu den Strahlelementen 27-32 bewegt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Strahlen 33, 34 über das Ausgangsmaterial 20 bewegt werden, während die Unterlage 21 mit dem Ausgangsmaterial 20 sich nicht relativ zu den Strahlelementen 27-32 bewegt. Die relative Bewegungsgeschwindigkeit des Ausgangsmaterials 20 relativ zu den Strahlelementen 27-32 wird Relativgeschwindigkeit genannt. In Fig. 6 ist die Relativgeschwindigkeit auf der x-Achse aufgetragen, während die Leistung eines Strahls 33, 34 eines Strahlelements 27-32 auf der y-Achse aufgetragen ist. Die Konturen zeigen unterschiedliche Werte der Qualität des teilweise oder vollständig hergestellten Objekts 22- 26 bzw. des Teilbereichs des Objekts 22-26, das von dem Strahl 33, 34 des Strahlelements 27-32 bearbeitet wird. Die Konturen zeigen schlechte Werte (äußerste Kontur), annehmbare bzw. akzeptable Werte (mittlere Kontur) und gute Werte (innerste Kontur) und der Punkt zeigt den Idealwert der Prozessqualität des Herstellens des Objekts 22-26 bzw. der Bearbeitung eines Teilbereichs durch den Strahl 33, 34 des Strahlelements 27-32 an, d.h. der optimale Punkt der Relativgeschwindigkeit und der Leistung des Strahls 33, 34. Bei einer Herstellungsvorrichtung 10 mit nur einem einzelnen ersten Strahl 33, 34 bzw. mit nur einem einzelnen Strahlelement 27-32 kann und sollte dieser ideale Punkt als Prozessparameter eingestellt werden.
Die Form der Konturen kann sich jeweils über die Zeit ändern. Die Form der Konturen kann von einem bekannten oder unbekannten Faktor oder mehreren bekannten und/oder unbekannten Faktoren abhängigen, die nicht oder kaum steuerbar bzw. kontrollierbar sind. Beispielsweise gibt es auch bei baugleichen Strahlelementen 27-32 Unterschiede in dem abgegebenen Strahl 33, 34.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung der Qualität der Prozessparameter eines zweiten Strahlelements 27-32. In Fig. 7 ist die Relativgeschwindigkeit auf der x-Achse aufgetragen, während die Leistung des Strahls auf der y-Achse aufgetragen ist.
Bei einem zweiten Strahlelement 27-32 können die Konturen für die schlechten Werte (äußerste Kontur), annehmbare Werte (mittlere Kontur) und gute Werte (innerste Kontur) sowie der Idealpunkt (schwarzer Punkt) anders sein als bei dem ersten Strahlelement 27-32. Dies bedeutet, dass die Relativgeschwindigkeit und/oder die Leistung des Strahls 33, 34 zum Erreichen des Idealpunkts des zweiten Strahlelements 27-32 eine andere ist als für das Erreichen des Idealpunkts des ersten Strahlelements 27-32. Fig. 8 zeigt eine erste kombinierte Ansicht der Fig. 6 und Fig. 7. Fig. 9 zeigt eine zweite kombinierte Ansicht der Fig. 6 und Fig. 7. In Fig. 8 und in Fig. 9 ist jeweils die Relativgeschwindigkeit auf der x-Achse aufgetragen, während die Leistung des jeweiligen Strahls 33, 34 auf der y-Achse aufgetragen ist.
Die Leistung des jeweiligen Strahls 33, 34 bzw. des jeweiligen Strahlelements 27-32 ist unabhängig voneinander einstellbar. Die Relativgeschwindigkeit, d.h. wie schnell das Ausgangsmaterial 20 bzw. die Unterlage 21 mit dem Ausgangsmaterial 20 relativ zu den Strahlelementen 27-32 bewegt wird, ist jedoch für alle Strahlen 33, 34 bzw. Strahlelemente 27-32 gleichgroß und somit nicht unabhängig voneinander. Somit kann aufgrund der Korrelation einiger Prozessparameter üblicherweise bei zwei verschiedenen Strahlen 33, 34 bzw. Strahlelementen 27-32 nicht der Idealpunkt beider Strahlen 33, 34 bzw. Strahlelemente 27-32 erreicht bzw. eingestellt werden. In Fig. 8 ist zu sehen, dass bei der gezeigten Relativgeschwindigkeit, beide Strahlen 33, 34 innerhalb der Kontur für gute Werte (innerste Kontur) liegen, aber von den Idealpunkten jeweils entfernt sind. Bei der in Fig. 9 gezeigten Wertekombination hat man sich für das zweite Strahlelement 27-32 (unterer Teil der Fig. 9) gegenüber der in Fig. 8 gezeigten Wertekombination auf den Idealpunkt zubewegt, allerdings wurde die Kontur für gute Werte (innerste Kontur) für das erste Strahlelement 27-32 verlassen und die Kombination von Relativgeschwindigkeit und Leistung des Strahls 33, 34 liegt innerhalb der Kontur für akzeptable Werte (mittlere Kontur).
Somit wird beim Verändern der Prozessparameter zum Verbessern des Herstellungsprozesses keine Optimierung der Parameter der einzelnen Strahlen 33, 34 unabhängig voneinander durchgeführt (das Optimum ist in Fig. 6-9 jeweils durch den Idealpunkt gekennzeichnet), sondern die Korrelationen bzw. Abhängigkeiten der Prozessparameter unterschiedliche Strahlelemente 27-32 zueinander bzw. voneinander wird berücksichtigt. Die Relativgeschwindigkeit muss für alle Strahlen 33, 34 bzw. Strahlelemente 27-32 die gleiche sein. Die Temperatur des Ausgangsmaterials 20, auf die erwärmt werden soll, muss nicht für alle Strahlelemente 27-32 dieselbe sein, aber hier gibt es eine begrenzte Abhängigkeit bzw. Korrelation, die von der Entfernung der Strahlelemente 27-32 zueinander abhängt. Je weiter die Strahlelemente 27-32 voneinander entfernt sind, so unabhängiger voneinander können die Temperaturen, auf die das Ausgangsmaterial 20 erwärmt werden soll bzw. erwärmt wird, eingestellt werden. Die Anzahl der Strahlelemente 27-32 der Herstellungsvorrichtung 10 beträgt nicht nur zwei, wie in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigt, sondern kann im Bereich von einigen Hunderten (z.B. 100, 200 oder 500 Strahlelemente 27-32), im Bereich von Tausend oder einigen Tausend (z.B. 1000, 2500 oder 5000 Strahlelemente 27-32) oder Zehntausend oder mehr betragen. Bei dem Verbessern bzw. Optimieren der Prozessparameter dieser Vielzahl von Strahlelementen 27-32 werden die Abhängigkeiten der Prozessparameter voneinander beachtet. Es wird sozusagen ein möglichst guter Kompromiss zwischen den Idealpunkten mehrerer Strahlelemente 27-32 oder aller Strahlelemente 27-32 gesucht bzw. eingestellt. Eine gleichzeitige Optimierung aller Prozessparameter unter Beachtung der Abhängigkeiten voneinander bzw. Korrelationen zueinander gemeinsam wird durchgeführt. Im Normalfall wird weder der optimale Wert für das erste Strahlelement 27-32 noch der optimale Wert für das zweite Strahlelement 27-32 gewählt, sondern ein anderer Wert als Kompromiss. Somit wird auch bei einem Wert wie der Strahlleistung, die für verschiedene Strahlelemente 27-32 unabhängig voneinander eingestellt wird, nicht der Wert angewendet bzw. genommen, der dem idealen Wert für das jeweilige Strahlelement 27-32 entspricht (der bei völliger Unabhängigkeit der Prozessparameter der Strahlelemente 27-32 eingestellt würde), sondern, da die Abhängigkeit der Prozessparameter berücksichtigt wird, ein anderer Wert.
Ein Verändern bzw. Verbessern der Prozessparameter kann auch dann durchgeführt werden, wenn kein Fehler des Objekts 22-26 erkannt wurde. Die Messeinrichtungen 60, 61 können auch ohne Erkennen eines Fehlers feststellen, dass die aktuellen Prozessparameter suboptimal sind.
Es gibt Prozessparameter, die für alle Strahlelemente 27-32 gleich sind, z.B. die Relativgeschwindigkeit. Manche Prozessparameter hängen teilweise voneinander ab, wie z.B. die Temperatur des Ausgangsmaterials 20, die für Strahlelemente 27-32, die nahe zueinander benachbart sind, ähnlich groß ist bzw. sein muss, während sie für weiter voneinander entfernte Strahlelemente 27-32 im Wesentlichen unabhängig voneinander ist. Und es gibt Prozessparameter des Herstellungsprozesses, wie z.B. die Intensität bzw. Leistung des Strahls 33, 34 des Strahlelements 27-32, die im Wesentlichen völlig unabhängig voneinander sind.
Fig. 10 zeigt eine schematische Ansicht der Strahlelemente 27-32 einer vierten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10. Fig. 11 zeigt eine schematische Ansicht der Strahlelemente 27-32 einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10.
Bei der vierten Ausführungsform und der fünften Ausführungsform sind jeweils mehrere Strahlelemente 27-32 in einem Modul 50-54 zusammengefasst. Die Strahlelemente 27-32 bzw. Strahlen 33, 34 eines Moduls 50-54 können nur gemeinsam bewegt werden. Es ist möglich, dass die Module 50-54 jeweils gedreht werden können, insbesondere wenn die Strahlen 33, 34 eine bestimme Ausrichtung bzw. Vorzugsorientierung haben, z.B. bei einer elliptischen nicht-kreisförmigen Form des Strahls 33, 34. Die Strahlelemente 27-32 eines Moduls 50-54 können beispielsweise eine gemeinsame Fourier-Optik und/oder f-Theta-Optik aufweisen bzw. verwenden. Auch hierdurch ist eine Korrelation bzw. Abhängigkeit von Prozessparametern unterschiedlicher Strahlelemente 27-32 vorhanden, die beim Verbessern der Prozessparameter berücksichtigt werden sollte bzw. berücksichtigt wird. Diese Art der Abhängigkeit ist ein Beispiel für eine diskrete Abhängigkeit.
Es ist möglich, dass mehrere Strahlelemente 27-32 bzw. Strahlen 33, 34 Teils eines einzelnen bzw. desselben Laserstacks sind. Die Laserdioden des Laserstacks teilen sich somit Eigenschaften wie die Temperatur, die die exakte Frequenz des ausgesandten Lichts beeinflusst. Die Strahlen 33, 34 eines Laserstacks weisen somit die gleichen Eigenschaften auf, während Strahlen 33, 34 eines anderen Laserstacks andere Eigenschaften aufweisen können. Diese Abhängigkeit bzw. Unabhängigkeit kann beim Verbessern der Prozessparameter berücksichtigt werden.
Fig. 12 zeigt eine schematische Ansicht zweier unterschiedlicher mittels der Herstellungsvorrichtung 10 aus Fig. 1 hergestellter bzw. herzustellender Objekte 22-26.
Unterschiedlichen Strahlelementen 27-32 können beim Verbessern oder Optimieren der Prozessparameter unterschiedliche Gewichte bzw. Wertungsgewichte zugewiesen werden. Dies bedeutet, dass das Verbessern bzw. Optimieren der Prozessparameter eines ersten Strahlelements 27-32 als wichtiger bewertet wird als das Verbessern bzw. Optimieren der Prozessparameter eines zweiten Strahlelements 27-32. Beispielsweise kann einem ersten Strahlelement 27-32, das eine Kante eines Objekts 22-26 herstellt, ein größeres Gewicht zugewiesen werden, als einem zweiten Strahlelement 27-32, das einen Innenbereich desselben Objekts 22-26 herstellt. Die Kante befindet sich beim fertig hergestellten Objekt 22-26 außen bzw. ist sichtbar, während der Innenbereich nicht sichtbar ist oder geringeren Belastungen als die Kante standhalten muss.
Es können von der Herstellungsvorrichtung 10 mehrere Objekte 22-26 gleichzeitig hergestellt werden. Insbesondere wenn wie in Fig. 12 gezeigt zwei unterschiedliche Objekte 22-26 hergestellt werden, so kann z.B. dem ersten Strahlelement 27-32 bzw. dem ersten Strahl 33, 34, das bzw. der die Spitze bzw. Kante bzw. den Umfang des rechten Objekts 22-26 in Fig. 12 herstellt, ein größeres Gewicht beim Verbessern der Prozessparameter zugewiesen sein bzw. werden als dem zweiten Strahlelement 27-32 bzw. dem zweiten Strahl 33, 34, das bzw. der einen Innenbereich des linken Objekts 22-26 in Fig. 12 herstellt.
Die zugewiesenen Gewichte bzw. Wertungsgewichte können sich über die Zeit ändern.
Die Prozessparameter können während des Herstellens bzw. Bearbeitens einer Lage des Ausgangsmaterials 20 bzw. des Objekts 22-26, zwischen dem Herstellen bzw. Bearbeiten einer ersten Lage und einer zweiten Lage des Ausgangsmaterials 20 bzw. des Objekts 22-26 oder zwischen dem Herstellen eines ersten Objekts 22-26 und dem Herstellen eines zweiten Objekts 22-26 verändert oder optimiert oder verbessert werden.
Wenn Fehler des Objekts 22-26 oder Fehler eines ersten Strahlelements 27-32 festgestellt werden, ist es möglich, das jeweilige Strahlelement 27-32, das den Fehler aufweist oder den Fehler erzeugt hat, abzuschalten. Andere Strahlelemente 27-32 können den Teilbereich, der dem ersten Strahlelement 27-32 zugewiesen war bzw. der von dem ersten Strahlelement 27- 32 bearbeitet wurde, übernehmen. Diese bedeutet, dass der Teilbereich des ersten Strahlelements 27-32 einem oder mehreren anderen Strahlelemente 27-32 zugewiesen wird. Die Schreibkreise der Strahlelemente 27-32 überschneiden sich in der Regel. Eine Neuzuweisung kann natürlich nur zu Strahlelementen 27-32 stattfinden, die den entsprechenden Teilbereich des Ausgangsmaterials 20 auch bearbeiten können. Durch die Neuzuweisung sinkt die Effizienz des Herstellungsprozesses nur gering und das Herstellen kann im Wesentlichen ohne Unterbrechung fortgesetzt werden.
Es ist denkbar, dass die Neuzuteilung des Teilbereichs des defekten Strahlelements 27-32 zu weiteren Neuzuteilungen von Teilbereichen von weiteren Strahlelementen 27-32 führt. Es kann ein kaskadenartiger bzw. dominoartiger Effekt von Neuzuteilungen von Teilbereichen zu den Strahlelementen 27-32 führen, auch wenn nur ein einziges Strahlelement 27-32 einen Fehler aufweist bzw. abgeschaltet wird.
Wenn alle Fehler einer Lage erfasst wurden, kann bestimmt bzw. unterteilt werden, ob die Ursache des Fehlers die Prozessparameter eines oder mehrerer einzelner Strahlelemente 27-32 waren oder ob eine globale Einstellung (z.B. die Einstellung der Relativgeschwindigkeit) der Prozessparameter für alle Strahlelemente 27-32 die Ursache des Fehlers oder der Fehler war. Wenn die Prozessparameter eines oder mehrerer einzelner Strahlelemente 27-32 die Ursache ist, muss des Weiteren bestimmt werden, ob der Fehler in Zukunft durch Verändern der Prozessparameter dieser Strahlelemente 27-32 voraussichtlich verhindert werden kann oder ob das Strahlelement 27-32 oder die entsprechenden Strahlelemente 27-32 abgeschaltet werden müssen.
Wenn Fehler in einer Schicht des teilhergestellten oder vollständige hergestellten Objekts 22-26 erkannt wurden, kann die Entscheidung, wie weiter vorgegangen wird, die drei folgenden Möglichkeiten umfassen:
- Reparieren des Fehlers
- Akzeptieren des Fehlers, d.h. kein Reparieren des Fehlers (z.B. wenn die Qualität des Objekts 22-26 trotzdem ausreichend ist)
- Abbrechen des weiteren Herstellens des Objekts 22-26
Diese Entscheidung wird abhängig von den unten genannten Aspekten automatisiert durchgeführt.
Das Reparieren kann beispielsweise durch ein erneutes Aufschmelzen des Teilbereichs, der den Fehler aufweist, durchgeführt werden.
Das Erkennen von Fehlern bzw. Erfassen von Eigenschaften ist auch dann sinnvoll, wenn nichts zum Beheben eines möglichen Fehlers unternommen wird, da dies ein Nachweis sein kann, dass keine Fehler vorhanden sind.
TI Fig. 13a zeigt eine weitere schematische Ansicht des Herstellungsprozesses von fünf Objekten 22-26 ohne Fehler. Fig. 14a zeigt eine schematische Ansicht des Herstellungsprozesses von fünf Objekten 22-26 mit einem Fehler. Fig. 14b zeigt eine weitere schematische Ansicht des Herstellungsprozesses von fünf Objekten 22-26 mit einem Fehler.
In Fig. 13a, Fig. 13b, Fig. 14a und in Fig. 14b verläuft die Zeit jeweils von links nach rechts. In Fig. 13a und Fig. 14a ist der Herstellungsprozess mit einer Herstellungsvorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik mit einem Strahl 33, 34 gezeigt. In Fig. 13b und Fig. 14b ist der Herstellungsprozess mit einer erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10 mit einer Vielzahl von Strahlen 33, 34 gezeigt. Jeweils in dem oberen Teil der Fig. 14a und Fig. 14b wird der Fehler repariert, während jeweils im unteren Teil der Fig. 14a und Fig. 14b der Fehler nicht repariert wird.
Beispielhaft betrachten wir die gleichzeitige Herstellung von fünf Objekten 22-26 mit jeweils drei Schichten L1-L3. Für dieses vereinfachte Beispiel gehen wir davon aus, dass die erfindungsgemäße Herstellungsvorrichtung 10 lediglich fünf Strahlelemente 27-32 bzw. fünf Strahlen 33, 34 umfasst. Zur besseren Darstellung wurde zwischen den Schichten L1-L3 ein Abstand eingezeichnet. Die benötigte Zeit für das Pulverauftragen vor dem Bearbeiten der nächsten Schicht L1-L3 und sonstige Schritte zwischen dem Bearbeiten der Schichten L1-L3 ist für diese Betrachtung unbeachtlich.
Bei einer Herstellungsvorrichtung 10 mit einem Strahlelement 27-32 bzw. einem Strahl 33, 34 gemäß dem Stand der Technik braucht es 15 Zeiteinheiten (z.B. 15 Minuten), um die fünf Produkte herzustellen. Bei der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10 braucht es nur drei Zeiteinheiten (z.B. 3 Minuten). Wir nehmen nun an, dass beim Bearbeiten der zweiten Schicht L2 des zweiten Objekts 22-26 ein Fehler auftritt. Dies ist in Fig. 14a bzw. in Fig. 14b durch ein Kreuz dargestellt. Der Fehler kann innerhalb einer Zeiteinheit repariert werden (durch ein „R“ dargestellt) oder der Fehler wird nicht repariert und das Objekt 22-26 ist unbrauchbar/Ausschuss.
Bei der Herstellungsvorrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik wird die Zeit für das Reparieren überkompensiert durch die zusätzlichen brauchbaren Objekte 22-26. Dies bedeutet, dass sich das Reparieren zeitlich lohnt. Die Produktivität gemessen an der Zahl der hergestellten brauchbaren Objekte 22-26 pro Zeiteinheit ist höher, wenn die Reparatur durchgeführt wird. Bei Reparatur, dargestellt im oberen Teil von Fig. 14a, werden 5 brauchbare Objekte in 16 Zeiteinheiten hergestellt, d.h. 0,3125 brauchbare Objekte pro Zeiteinheit. Bei Nicht-Reparatur, dargestellt im unteren Teil von Fig. 14a, werden 4 brauchbare Objekte in 14 Zeiteinheiten hergestellt, d.h. 0,2857 brauchbare Objekte pro Zeiteinheit.
Bei der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10 ergibt sich das gegensätzliche Ergebnis. Es lohnt sich im gezeigten Fall nicht zu reparieren und es ist besser, auf ein brauchbares Objekt 22-26 zu verzichten. Wenn repariert wird, dargestellt im oberen Teil von Fig. 14b, werden 5 brauchbare Objekte in 4 Zeiteinheiten hergestellt, d.h. 1 ,25 brauchbare Objekte 22-26 pro Zeiteinheit. Wenn nicht repariert wird, dargestellt im unteren Teil von Fig. 14b, werden 4 brauchbare Objekte in 3 Zeiteinheiten hergestellt, d.h. 1 ,33 brauchbare Objekte pro Zeiteinheit.
Da mittels der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10 in der Realität mehr als 5 Objekte 22-26 gleichzeitig hergestellt werden und die Fehler nur eine geringe Anzahl von Schichten oder Objekte 22-26 betrifft, ist es oftmals (zeit)effizienter auf die Reparatur zu verzichten. Je nach Aufbau der Herstellungsvorrichtung 10 kann nämlich die Durchführung der Reparatur mittels eines oder mehrerer Strahlelemente 27-32 bedeuten, dass die anderen Strahlelemente 27-32 pausieren.
Es wird somit entschieden, dass die Reparatur bei der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10 sinnvoll ist und durchgeführt wird, wenn folgende Ungleichung erfüllt ist: f > c * N wobei f der Anteil bzw. Prozentsatz ist, zu dem das Objekt 22-26, bei dem der Fehler erkannt wurde, bereits fertig bzw. vollständig hergestellt wurde,
N die Anzahl der Objekte 22-26 ist, die von der Herstellungsvorrichtung 10 gleichzeitig hergestellt werden, c das Verhältnis zwischen der Zeit, die für das Reparieren benötigt wird, und der Zeit, die für das Herstellen eines vollständigen Objekts 22-26 notwendig, ist. Wenn f beispielsweise den Wert 0,1 aufweist, bedeutet dies, dass das Objekt 22-26 zu 10% fertig hergestellt ist. Ein Wert von f von 0,9 bedeutet dagegen, dass das Objekt 22-26 bereits zu 90% fertig hergestellt ist. Die Anzahl N kann von der Anzahl der Strahlelemente 27-32 bzw. Strahlen 33, 34 der Herstellungsvorrichtung 10 abhängen.
Das Reparieren kann sozusagen on-the-fly bzw. instantan bzw. umgehend durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass ein erstes Strahlelement 27-32 oder mehrere erste Strahlelemente 27-32 die Reparatur des Fehlers bzw. des defekten Teilbereichs des Objekts 22-26 durchführen (z.B. indem ein Teilbereich des Objekts 22-26 nochmals erhitzt bzw. erwärmt wird), während die anderen Strahlelemente 27-32 das Objekt 22-26 weiter herstellen. Hierbei kann eine Neuzuordnung der zu bearbeitenden Teilbereiche zu den Strahlelementen 27-32 durchgeführt werden. Auf diese Weise dauert der Herstellungsprozess des Objekts 22-26 nur geringfügig länger als ohne das Entstehen und Reparieren eines Fehlers.
Es ist möglich, dass bei der Herstellungsvorrichtung 10 das Objekt 22-26 an der gleichen Stelle bestrahlt wird, das Objekt 22-26 vermessen wird und neues Pulver aufgetragen wird. Dies bedeutet, dass diese 3 Schritte an der gleichen Position der Herstellungsvorrichtung 10 durchgeführt werden können.
Alternativ ist es auch möglich, dass für einige der Schritte oder für jeden dieser Schritte das teilweise hergestellte oder vollständig hergestellte Objekt 22-26 bzw. die Unterlage 21 mit dem Objekt 22-26 jeweils zu verschiedenen dedizierten Vorrichtungen transportiert wird. Insbesondere kann dieser Transport derart erfolgen, dass diese dedizierten Vorrichtungen wiederholt in einer bestimmten Reihenfolge erreicht werden. Dies wird auch Achterbahndesign oder roller coaster design genannt.
Fig. 15 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10.
Die Herstellungsvorrichtung 10 weist mehrere Vorrichtungen auf, zwischen denen das Objekt 22-26 oder die Unterlage 21 bewegt wird. Beispielsweise sind die verschiedenen Vorrichtungen mit einer Schiene 95 verbunden, mittels der die Unterlage 21 mit dem Ausgangsmaterial 20 bzw. Objekt 22-26 geführt wird. Die Herstellungsvorrichtung 10 weist eine Auftragsvorrichtung 90, 91 auf. Die Auftragsvorrichtung 90, 91 trägt eine neue Schicht des Ausgangsmaterials 20 bzw. von Pulver auf die Unterlage 21 bzw. die bereits auf der Unterlage 21 vorhandenen Schichten des Ausgangsmaterials 20 auf.
Zudem weist die Herstellungsvorrichtung 10 eine Strahlvorrichtung 70, 71 auf. Die Strahlvorrichtung 70, 71 umfasst zumindest einen Teil der Strahlelemente 27-32 oder die Strahlelemente 27-32 und strahlt die Strahlen 33, 34 der Strahlelemente 27-32 auf das Ausgangsmaterial 20, wodurch das Ausgangsmaterial 20 stellenweise erhitzt bzw. erwärmt wird.
Der nächste Teil der Herstellungsvorrichtung 10 entlang der Bewegungsrichtung der Unterlage 21 ist eine Abkühlvorrichtung 80, 81. Hier wird das Objekt 22-26 bzw. das Ausgangsmaterial 20 gekühlt.
Nachfolgend ist eine Messstation 65, 66 mit einer oder mehreren Messeinrichtungen 60, 61 vorhanden. Die Messeinrichtung oder Messeinrichtungen 60, 61 kann/können zum Vermessen bzw. Erfassen der Eigenschaften des Objekts 22-26 und/oder des Ausgangsmaterials 20 auf der Unterlage 21ausgebildet sein.
Anschließend befinden sich wieder eine Auftragsvorrichtung 90, 91 , eine weitere Strahlvorrichtung 70, 71, eine weitere Abkühlvorrichtung 80, 81 und eine weitere Messstation 65, 66 mit einer oder mehreren Messeinrichtungen 60, 61 in der Herstellungsvorrichtung 10, bevor man wieder zu der ersten Auftragsvorrichtung 90, 91 gelangt. Jede Vorrichtung ist somit zweimal vorhanden.
Denkbar ist, dass die Strahlvorrichtung 70, 71 nur Messeinrichtungen 60, 61 zum Erkennen von Fehlern, die nur während des Herstellungsprozesses bzw. des Erwärmens des Ausgangsmaterials 20 erfasst werden können (z.B. die Temperatur des aufgeschmolzenen bzw. erwärmten Ausgangsmaterials 20), aufweist. Die weiteren Messeinrichtungen 60, 61 bzw. -elemente können in der Messstation 65, 66 bzw. Messstationen 65, 66 angeordnet sein. Hierdurch kann die Anzahl in Messeinrichtungen 60, 61 in der Strahlvorrichtung 70, 71 bzw. zwischen den Strahlelementen 27-32, wo der Platz bzw. Raum besonders eng ist, reduziert werden. Folglich wird die effektive Dichte der Strahlelemente 27-32 erhöht. Die Fehler können in der Strahlvorrichtung 70, 71 repariert werden.
Fig. 16 zeigt eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10.
Die siebte Ausführungsform unterscheidet sich von der sechsten Ausführungsform dadurch, dass zusätzlich jeweils zwischen der Messstation 65, 66 mit einer oder mehreren Messeinrichtungen 60, 61 und dem Auftragsvorrichtung 90, 91 eine dedizierte Reparaturvorrichtung 93, 94 vorhanden ist. Der Vorteil einer besonderen bzw. dedizierten Reparaturvorrichtung 93, 94 ist, dass diese derart ausgebildet sein kann, dass hier Fehler repariert werden können, die durch die Strahlelemente 27-32 der Strahlvorrichtung 70, 71 nicht repariert werden können.
Fig. 17a zeigt eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10.
Die achte Ausführungsform unterscheidet sich von der siebten Ausführungsform dadurch, dass eine Umgehung der Reparaturvorrichtung 93, 94 möglich ist, d.h. dass die Unterlage 21 direkt bzw. unmittelbar von der Messstation 65, 66 mit einer oder mehreren Messeinrichtungen 60, 61 zu der Auftragsvorrichtung 90, 91 unter Umgehung der Reparaturvorrichtung 93, 94 bewegt werden kann, und dass nur eine Reparaturvorrichtung 93, 94 vorhanden ist.
Durch diese Anordnung wird Zeit gespart, da nicht jedes Objekt 22-26 in die bzw. durch die Reparaturvorrichtung 93, 94 geführt werden muss. Dies wird nur dann durchgeführt, wenn die Messstation 65, 66 mit einer oder mehreren Messeinrichtungen 60, 61 einen Fehler erkannt hat. Wenn die Messstation 65, 66 mit einer oder mehreren Messeinrichtungen 60, 61 , nach der nicht unmittelbar die Reparaturvorrichtung 93, 94 angeordnet ist, einen Fehler erkennt, so kann das Objekt 22-26 bzw. die Unterlage 21 durch die Auftragsvorrichtung 90, 91 , die Strahlvorrichtung 70, 71 , die Abkühlvorrichtung 80, 81 unverändert geführt werden, so dass vor dem Aufbringen einer neuen Schicht, der Fehler in der einzigen Reparaturvorrichtung 93, 94 repariert werden kann. Diese Anordnung kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn das Auftreten von Fehlern sehr unwahrscheinlich ist und/oder das Reparieren von Fehler nicht lange dauert.
Fig. 17b zeigt eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10.
Die neunte Ausführungsform unterscheidet sich von der siebten Ausführungsform dadurch, dass bei beiden Reparaturvorrichtungen 93, 94 eine Umgehungsmöglichkeit vorhanden ist. D.h. jeweils nach den beiden Messstationen 65, 66 kann das Objekt 22-26 bzw. die Unterlage 21 direkt zu der Auftragsvorrichtung 90, 91 bewegt werden, ohne dass die Reparaturvorrichtung 93, 94 durchfahren wird. Diese Anordnung kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn das Auftreten von Fehlern sehr wahrscheinlich ist und/oder das Reparieren von Fehler sehr lange dauert.
Fig. 17c zeigt eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10.
Es ist möglich, dass Bereiche vorhanden sind, in denen die Unterlage 21 in den Kreislauf eingesetzt bzw. entnommen wird. In diesen Bereichen können die Reparaturvorrichtungen 93, 94 angeordnet sein.
Die zehnte Ausführungsform unterscheidet sich von der neunten Ausführungsform dadurch, dass die Reparaturvorrichtungen 93, 94 in den Bereichen angeordnet sind, in den die Unterlage 21 in den Kreislauf hinein gelangt oder heraus gelangt.
Fig. 18 zeigt eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10.
Die elfte Ausführungsform unterscheidet sich von der sechsten Ausführungsform dadurch, dass keine separate Messstation 65, 66 vorhanden ist. Die Messung wird bei der elften Ausführungsform mittels Messeinrichtungen 60, 61 in der Strahlvorrichtung 70, 71 durchgeführt. Die Messeinrichtungen 60, 61 können somit Teil der Strahlvorrichtung 70, 71 sein.
Bezugszeichenliste
1-6 Schreibkreis
10 Herstellungsvorrichtung
15 Steuerungsvorrichtung
20 Ausgangsmaterial
21 Unterlage
22-26 Objekt
27-32 Strahlelement
33, 34 Strahl
40-42 Schreibkreis
50-54 Modul
60, 61 Messeinrichtung
65, 66 Messstation
70, 71 Strahlvorrichtung
80, 81 Abkühlvorrichtung
90, 91 Auftragsvorrichtung
93, 94 Reparaturvorrichtung
95 Schiene
100-105 Heizeinrichtung
L1-L3 Schicht

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts (22-26) aus einem Ausgangsmaterial (20) mittels einer Herstellungsvorrichtung (10), wobei die Herstellungsvorrichtung (10) eine Vielzahl von Strahlelementen (27-32) zum Ausstrahlen von Strahlen (33, 34) auf Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20) zum Erwärmen der Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20) aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Aussenden von einer Vielzahl von Strahlen (33, 34) von den Strahlelementen (27-32) auf Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20) zum Erwärmen der Teilbereiche; Erfassen von Messdaten des Ausgangsmaterials (20), des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts (22-26) und/oder der Herstellungsvorrichtung (10); und
Verändern von Prozessparametern des Erwärmens der Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20) durch die Strahlen zum Verbessern des Herstellungsprozesses des Objekts (22-26) auf Basis der Messdaten, wobei bei dem Verändern der Prozessparameter die Abhängigkeit der Prozessparameter verschiedener strahlen (33, 34) voneinander berücksichtigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst: Erkennen eines Fehlers bei einem ersten Strahlelement (27-32) der Vielzahl von Strahlelementen (27-32);
Abschalten des ersten Strahlelements (27-32); und
Neuzuordnen von mindestens einem Teilbereich des Ausgangsmaterials (20), der dem ersten Strahlelement (27-32) zugeordnet war, zu den anderen Strahlelementen (27-32).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Verändern der Prozessparameter zum Verbessern des Herstellungsprozesses unterschiedlichen Strahlelementen (27-32) unterschiedlich große Wertungsgewichte zugewiesen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst:
Erkennen eines Fehlers des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts
35 (22-26) auf Basis der Messdaten;
Entscheiden, ob der erkannte Fehler repariert wird oder nicht repariert wird abhängig von dem Anteil des vollständigen Objekts (22-26), zu dem das teilhergestellte Objekt (22-26) bereits hergestellt wurde, von der Anzahl der durch die Herstellungsvorrichtung (10) gerade gleichzeitig hergestellten Objekte (22-26) und abhängig von dem Verhältnis zwischen der benötigten Zeit für das Reparieren des Fehlers und der benötigten Zeit für das Herstellen eines vollständigen Objekts (22- 26) aus dem Ausgangsmaterial (20); und
Reparieren des Fehlers, wenn entschieden wurde, den Fehler zu reparieren. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst:
Erkennen eines Fehlers des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts (22-26) auf Basis der Messdaten;
Reparieren des erkannten Fehlers mittels einer oder mehrerer Strahlelemente (27-32) der Herstellungsvorrichtung (10), während andere Strahlelemente (27-32) der Vielzahl von Strahlelementen (27-32) das Objekt (22-26) weiter aus dem Ausgangsmaterial (20) herstellen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt umfasst:
Bewegen des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts (22-26) weg von den Strahlelementen (27-32) zu einer Messstation (65, 66) mit einer oder mehreren Messeinrichtungen (60, 61) zum Messen von Eigenschaften des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts (22-26) und/oder zum Erkennen von Fehlern des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts (22-26). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt umfasst:
Bewegen des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts (22-26), das einen Fehler aufweist, zu einer Reparaturvorrichtung (93, 94) zum Reparieren von Fehlern des Objekts (22-26). Verfahren nach Anspruch 7, wobei das teilhergestellte Objekt (22-26) an der Reparaturvorrichtung (93, 94) vorbei direkt von der Messstation (65, 66) zu einer Auftragsvorrichtung (90, 91) zum Aufträgen von
36 Ausgangsmaterial (20) auf das teilhergestellte Objekt (22-26) bewegt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prozessparameter während des Herstellens eines Objekts (22-26) verändert werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prozessparameter nach dem vollständigen Herstellen eines ersten Objekts (22- 26) und vor dem Herstellen eines zweiten Objekts (22-26) verändert werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messdaten von Messeinrichtungen (60, 61) erfasst werden, die zwischen den Strahlelementen (27-32) der Herstellungsvorrichtung (10), insbesondere regelmäßig, angeordnet sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere zweite Strahlelemente (27-32) der Vielzahl von Strahlelementen (27-32) in einem Modul (50-54) derart zusammengefasst sind, dass die Strahlen (33, 34) der Strahlelemente (27-32) des Moduls (50-54) nur zusammen über das Ausgangsmaterial (20) bewegbar sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der Steuerungselemente der Strahlelemente (27-32) zum Bewegen der Strahlen (33, 34) über das Ausgangsmaterial (20) im Wesentlichen baugleich zu Steuerungselementen der Messeinrichtungen (60, 61) zum Bewegen des Messbereichs über das Ausgangsmaterial (20) sind. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (60, 61) die gesamte Breite des Ausgangsmaterials (20), insbesondere die gesamte Oberfläche des Ausgangsmaterials (20), erfasst. Computerprogrammprodukt, das von einem Prozessor eines Computers lesbare Instruktionen aufweist, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, Steuersignale für eine Herstellungsvorrichtung (10) zum additiven Herstellen eines Objekts (22-26) aus einem Ausgangsmaterial (20) zu erzeugen, die die Herstellungsvorrichtung (10) veranlassen, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 15 gespeichert ist. Herstellungsvorrichtung (10) zum additiven Herstellen eines Objekts (22-26) aus einem Ausgangsmaterial (20), wobei die Herstellungsvorrichtung (10) folgendes umfasst: eine Vielzahl von Strahlelementen (27-32) zum Ausstrahlen von Strahlen auf Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20) zum Erwärmen der Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20), eine Steuerungsvorrichtung (15) zum Steuern der Herstellungsvorrichtung (10) derart, dass Strahlen (33, 34) auf Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20) zum Erwärmen der Teilbereiche ausgesandt werden, und eine Messeinrichtung (60, 61) zum Erfassen von Messdaten des Ausgangsmaterials (20), des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts (22-26) und/oder der Herstellungsvorrichtung (10), wobei die Steuerungsvorrichtung (15) zum Verändern von Prozessparametern des Erwärmens der Teilbereiche des Ausgangsmaterials (20) durch die Strahlen (33, 34) zum Verbessern des Herstellungsprozesses auf Basis der Messdaten ausgebildet ist, wobei bei dem Verändern der Prozessparameter die Abhängigkeit der Prozessparameter verschiedener Strahlen (33, 34) voneinander berücksichtigt werden. Herstellungsvorrichtung (10) nach Anspruch 17, wobei die Steuerungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass beim Erkennen eines Fehlers bei einem ersten Strahlelement (27-32) der Vielzahl von Strahlelementen (27-32) das erste Strahlelement (27-32) abgeschaltet wird und mindestens ein Teilbereich des Ausgangsmaterials (20), der dem ersten Strahlelement (27-32) zugeordnet war, zu den anderen Strahlelementen (27-32) neuzugeordnet wird. Herstellungsvorrichtung (10) nach Anspruch 17 oder 18, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) zum Zuweisen unterschiedlich großer Wertungsgewichte zu unterschiedlichen Strahlelementen (27-32) bei dem Verändern der Prozessparameter zum Verbessern des Herstellungsprozesses ausgebildet ist. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17-19, wobei die Steuerungseinrichtung zum Entscheiden, ob ein erkannter Fehler des Objekts (22-26) repariert wird oder nicht repariert wird abhängig von dem Anteil des vollständigen Objekts (22-26), zu dem das Objekt (22-26) bereits hergestellt wurde, von der Anzahl der durch die Herstellungsvorrichtung (10) gerade gleichzeitig hergestellten Objekte (22-26) und abhängig von dem Verhältnis zwischen der benötigten Zeit für das Reparieren des Fehlers und der benötigten Zeit für das Herstellen eines vollständigen Objekts (22-26) aus dem Ausgangsmaterial (20), ausgebildet ist. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17-20, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass ein erkannter Fehler des Objekts (22-26) durch ein oder mehrere Strahlelemente (27-32) reparierbar ist, während die anderen Strahlelemente (27-32) der Vielzahl von Strahlelementen (27- 32) das Objekt (22-26) weiter aus dem Ausgangsmaterial (20) herstellen. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17-21, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass das teilhergestellte oder vollständig hergestellte Objekt (22-26) weg von den Strahlelementen (27-32) zu einer Messstation (65, 66) mit einer oder mehreren Messeinrichtungen (60, 61) zum Messen von Eigenschaften des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts (22-26) und/oder zum Erkennen von Fehlern des teilhergestellten oder vollständig hergestellten Objekts (22-26) bewegbar ist. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17-22, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass das teilhergestellte Objekt (22-26) an einer Reparatureinrichtung vorbei direkt von der Messstation (65, 66) zu einer Auftragsvorrichtung (90, 91) zum Aufträgen von Ausgangsmaterial (20) auf das teilhergestellte Objekt (22-26) bewegbar ist. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17-23, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass die Prozessparameter
39 während des Herstellens eines Objekts (22-26) veränderbar sind. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17-24, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass die Prozessparameter nach dem vollständigen Herstellen eines ersten Objekts (22-26) und vor dem Herstellen eines zweiten Objekts (22-26) veränderbar sind. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17-25, wobei zumindest ein Teil der Messeinrichtungen (60, 61), insbesondere alle Messeinrichtungen (60, 61), zwischen den Strahlelementen (27-32) angeordnet sind. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17-26, wobei mehrere zweite Strahlelemente (27-32) der Vielzahl der Strahlelemente (27-32) in einem Modul (50-54) derart zusammengefasst sind, dass die Strahlen des Moduls (50-54) nur zusammen über das Ausgangsmaterial (20) bewegbar sind. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17-27, wobei zumindest einige der Steuerungselemente der Strahlelemente (27-32) zum Bewegen der Strahlen (33, 34) über das Ausgangsmaterial (20) im Wesentlichen baugleich zu Steuerungselementen der Messeinrichtungen (60, 61) zum Bewegen des Messbereichs über das Ausgangsmaterial (20) sind. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 17-28, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass Messeinrichtungen (60, 61) derart angeordnet sind, dass die gesamte Breite, insbesondere die gesamte Oberfläche, des Ausgangsmaterials (20) durch die Messeinrichtungen (60, 61) erfassbar ist.
40
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