WO2024104951A1 - Verfahren zur bereitstellung einer verfahrensanweisung für die additive fertigung - Google Patents

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WO2024104951A1
WO2024104951A1 PCT/EP2023/081595 EP2023081595W WO2024104951A1 WO 2024104951 A1 WO2024104951 A1 WO 2024104951A1 EP 2023081595 W EP2023081595 W EP 2023081595W WO 2024104951 A1 WO2024104951 A1 WO 2024104951A1
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instruction
data
additive manufacturing
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PCT/EP2023/081595
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Katharina Eissing
Omar FERGANI
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1000 Kelvin GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for providing a process instruction for the additive manufacturing of a component with the method steps of creating and/or providing a first process instruction for the additive manufacturing of a first building structure, wherein the first building structure comprises the component and a first support structure, wherein the first process instruction is created using a first method, and creating a second process instruction for the additive manufacturing of a second building structure, wherein the second building structure comprises the component and a second support structure, wherein the second process instruction is created on the basis of the first process instruction, wherein the second process instruction is created using a second method and wherein the first method is different from the second method.
  • 3D printing or additive manufacturing is a comprehensive term for all manufacturing processes in which material is applied layer by layer to create three-dimensional components.
  • the layer-by-layer construction is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to specifications from a CAD/CAM system.
  • the layers can then be broken down into strips, particularly in the case of direct energy deposition processes.
  • hatching a layer is divided into strips (hatches) or squares and vectors arranged in parallel are distributed within them.
  • powder bed-based technologies such as selective laser melting, the component is manufactured without further subdivision of the layers.
  • a print head or a laser is usually placed horizontally, i.e.
  • the build plate on which the workpiece is manufactured is usually moved vertically downwards, i.e. in the Z direction, and another layer is started.
  • the workpiece can experience problems such as cracking, deformation and an uneven crystal structure depending on the type of material applied and the set process parameters (e.g. temperature, feed). In other cases, this can even lead to an entire manufacturing process having to be stopped.
  • a process plan is usually created only on the basis of the geometric design of a workpiece.
  • the method according to the invention for providing a process instruction for the additive manufacturing of a component has two process steps: In the first process step, a first process instruction for the additive manufacturing of a first building structure is created and/or provided, wherein the first Construction structure comprises the component and a first support structure, wherein the first procedural instruction is created using a first method.
  • a second method instruction is created for the additive manufacturing of a second construction structure, wherein the second construction structure comprises the component and a second support structure, wherein the second method instruction is created on the basis of the first method instruction, wherein the second method instruction is created using a second method.
  • the first method is different from the second method.
  • Process instructions are data that are made available to an additive manufacturer for the additive production of the building structure. This includes the process parameters for the additive manufacturer and the definition of a tool path.
  • the tool path usually consists of a large number of vectors arranged in a row that are traversed by the additive manufacturer.
  • the process instructions thus define a process control that is processed by the additive manufacturer for the additive production of a building structure.
  • Additive manufacturing processes within the meaning of this application are processes in which the material from which a building structure is to be made is added to the building structure during its creation.
  • the building structure is created in its final form or at least approximately in this form, with post-processing then taking place.
  • the building structure to be manufactured has a support structure that includes one or more support points. This support structure is removed during post-processing.
  • the techniques that an additive manufacturer uses to produce a part include, for example, extrusion deposition or selective deposition modeling (SDM), techniques such as fused deposition modeling (FDM) and fused filament fabrication (FFF), stereolithography (SLA), polyjet printing (PJP), multijet printing (MJP), selective laser sintering (SLS), selective laser melting (SLM), three-dimensional printing (3DP), techniques such as color jet printing (CJP), directed energy deposition (DED) and the like.
  • SDM extrusion deposition or selective deposition modeling
  • FDM fused deposition modeling
  • FFF fused filament fabrication
  • SLA stereolithography
  • JP polyjet printing
  • MJP multijet printing
  • SLS selective laser sintering
  • SLM selective laser melting
  • 3DP three-dimensional printing
  • CJP directed energy deposition
  • DED directed energy deposition
  • Fused filament fabrication also known as fused deposition modeling or filament freeform fabrication
  • FFF fused deposition modeling or filament freeform fabrication
  • the filament is fed from a large spool through a moving, heated extruder head on the printer and deposited onto the growing workpiece.
  • the print head is moved under computer control to define the printed shape.
  • the head moves in two dimensions to deposit one horizontal plane or layer at a time; the workpiece or print head is then moved vertically by a small amount to begin a new layer.
  • the speed of the extruder head can also be controlled to stop and start deposition, creating a discontinuous plane without any threads or drips between sections.
  • Directed Energy Deposition refers to a category of additive manufacturing or 3D printing processes in which powder or wire is fed coaxially to an energy source (usually a laser) to form a molten or sintered layer on a substrate.
  • Melt filament printing is currently the most popular process for 3D printing, especially in the hobby sector. Other processes such as photopolymerization and powder sintering can produce better results, but are much more expensive.
  • the 3D printer head or 3D printer extruder is a part in additive manufacturing by material extrusion that is responsible for melting or softening the raw material and forming it into a continuous profile.
  • thermoplastics such as acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polylactic acid (PLA), polyethylene terephthalate glycol (PETG), polyethylene terephthalate (PET), high impact polystyrene (HIPS), thermoplastic polyurethane (TPU) and aliphatic polyamides (nylon).
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene
  • PLA polylactic acid
  • PETG polyethylene terephthalate glycol
  • PET polyethylene terephthalate
  • HIPS high impact polystyrene
  • TPU thermoplastic polyurethane
  • aliphatic polyamides aliphatic polyamides
  • the method according to the invention for providing a method instruction for additive manufacturing of a building structure is computer-aided, whereby the term "computer-aided” is used in this document in such a way that one computer or several computers carry out or carry out at least one method step of the method.
  • Computers can be, for example, personal computers, servers, handheld computer systems, pocket PC devices, mobile radio devices and other communication devices that can process data in a computer-aided manner, as well as processors and other electronic devices for data processing, which can also be connected to form a network.
  • a method in the sense of the invention is a systematic and targeted procedure for creating a process instruction for the additive manufacturing of a building structure using formalized procedures.
  • the formalized procedures are defined, for example, in a computer program.
  • the method according to the invention creates a first process instruction for the additive manufacturing of a first construction structure and a second process instruction for the additive manufacturing of a second construction structure.
  • the two construction structures have the same component but different support structures.
  • One and the same component can therefore be manufactured using the first and second process instructions, with the second process instruction being created on the basis of the first process instruction.
  • the first process instruction is optimized using the second process instruction in such a way that the manufactured component has an improved residual stress distribution. Both process instructions are generated using different methods, e.g. using different computer programs.
  • a method instruction comprises a geometric start (x,y,z) and a geometric end point (x,y,z) for each individual vector (exposure vector).
  • a process instruction has one or more elements of the following group of parameters: type of vector (fill, contour vector; overhang vector, surface vector), polygon that describes the outer boundaries of the part, start/end time of each vector, pause times between the vectors (forced (e.g.) for cooling or due to optical/mechanical conditions), pause times between the layers, coater times and information, build plate temperature, assignment of which vector is written by which laser, areas that the individual lasers can reach, continuous or pulsed vector, Focus of the laser and which laser mode (per vector), rarely: circular movements of the laser (wobble), information about the gas used and its direction of flight in the build chamber and/or information and/or instructions about the layer thickness or information and/or instructions for lowering the build plate.
  • the process instruction comprises one or more elements of the following group of parameters: an instruction for initialization and setup, an instruction for controlling the energy source with commands for controlling the laser, electron beam or plasma arc, an instruction for switching the energy source on and/or off and/or adjusting its power, instructions for material supply and nozzle control with commands for controlling the material flow rate and/or commands for controlling the nozzle temperature, instructions for movement and path control with the movement control of the nozzle and/or the workpiece optionally specifying the speed, direction and/or change of direction, the course (straight or curved line) and/or specifying the end point and/or starting point and/or the starting position (often used for setting the starting position of the material deposition), an instruction for layering and deposition patterns with specific commands for controlling the layer thickness and deposition pattern and/or adjustments of the Z-axis for each new layer, an instruction for cooling and/or temperature management and/or Commands for cooling systems and/or for managing heat generation, an instruction for advanced control of, for example, the gas flow in the
  • the first method instruction comprises the irradiation path of an energy beam, the exposure vectors, the process parameters of the Beam source and/or the process parameters for influencing the energy input into the building structure.
  • Process parameters are understood to mean all variables that influence the manufacturing process using additive manufacturing. Process parameters are understood to mean all variables that influence the process.
  • the additive manufacturer requires process parameters to manufacture the component, e.g. the height of the layers to be manufactured, the orientation of the vectors, i.e. the direction and length of the path that the tool describes on the surface of the component to be manufactured.
  • the method according to the invention creates a first process instruction and a second process instruction for a specific material that is intended for processing using additive manufacturing. The process parameters used depend on the additive manufacturer used to manufacture the component.
  • the tool path usually has a number of vectors arranged in a row that are followed by the additive manufacturer.
  • the process instructions thus define a process control that is carried out by the additive manufacturer for additive manufacturing.
  • the heat dissipation in the building structure is slower the warmer the building structure is.
  • the vector length influences the temperature development in that the repeated heating of neighboring points is spaced further apart in time due to the parallel position of successively exposed vectors.
  • Another important influencing factor is the mass distribution around the vectors, as this directly influences the heat flow and thus the risk of overheating.
  • the process parameters for influencing the energy input into the building structure include the power of the energy beam, the irradiation times of individual vectors, the pause times between the irradiation times of individual vectors, the travel speed of the energy beam, the Hatch distance between the vectors, the vector sequence, the vector length and/or the vector orientation. In this way, overheating in vulnerable areas of the component can be prevented.
  • Process parameters are all variables that influence the manufacturing process using additive manufacturing.
  • the process parameters for influencing the energy input into the building structure depend on the material of the building structure.
  • Different materials of the building structure have different material properties, such as heat capacity, thermal conductivity, melting temperature, reflection coefficient of the powder used.
  • Other material properties are, for example, material stiffness, material thickness, material fatigue, material elongation at break, material elastic modulus, material compression modulus, material shear modulus.
  • a component to be manufactured often has thin-walled or overhanging structures. In these areas, the body of the building structure provides a significantly smaller local thermal capacity, so that the building structure can overheat locally using standard process parameters.
  • data from the first process instruction is read in and/or entered to create the second process instruction, the data from the first process instruction comprising the structure geometry, the component geometry, the irradiation path of an energy beam, the exposure vectors and/or the process parameters of the beam source and/or the process parameters for influencing the energy input into the structure.
  • the first process instruction provides basic data and process parameters for the additive manufacture of a structure, which is the basis for creating a second process instruction.
  • a structure can be produced that does not overheat in particularly vulnerable areas during the manufacturing process and has a lower residual stress distribution when cooled and reworked, which is relevant, for example, in the manufacture of turbine blades.
  • the data from the first method instruction are read in from an external source or loaded from an external source.
  • the external source is a storage unit, e.g. a database, which is arranged remotely from the unit that provides the first method instruction.
  • machine data of the additive manufacturer are read in and/or entered and/or used to create the second process instruction, the machine data comprising the possible process parameters of the additive manufacturer, the possible travel speeds, the possible travel paths of the component to the additive manufacturer.
  • Machine data are different for different additive manufacturers and are therefore used to create the second process instruction.
  • the method according to the invention can therefore be used for different additive manufacturers.
  • the component data is read in and/or entered for the creation of the second process instruction and/or used for the creation of the second process instruction, wherein the component data includes the geometry of the structure, the geometry of the component and/or material data, and wherein the material data includes the phases, the concentration of the phases, the microstructure, the mechanical characteristics, the melting temperature and/or the boiling temperature.
  • a structure to be manufactured often contains thin-walled or overhanging structures. In these areas, the body provides a significantly smaller thermal capacity locally, so that the structure can overheat locally when using standard process parameters. This leads, for example, to undesirably large melt pools, which hinder the manufacturing process by forming large melt beads.
  • Corresponding data must be stored in the database for all possible combinations of process and material parameters. In individual applications, the appropriate data must be retrieved from the database and taken into account when calculating the temperature development.
  • simulation data is read in and/or entered for the creation of the second process instruction and/or used for the creation of the second process instruction, wherein the simulation data comprises calculated data that was determined on the basis of a model and set or predetermined parameters.
  • the simulation data contains data about a building structure in which the shrinkage and the formation of structural stresses are taken into account during shaping by producing a geometry of the building structure modified by means of the simulation method, which assumes the desired geometry of the building structure due to the stresses and shrinkages.
  • experimental data is read in and/or entered for the creation of the second process instruction and/or used for the creation of the second process instruction, wherein the experimental data comprises experimentally determined data.
  • the experimental data comprises data of a building structure that was created in-situ in real time and/or in previous manufacturing processes.
  • the creation of the second process instruction can include data that is recorded on the basis of real, non-simulated manufacturing processes.
  • process parameters of the second process instruction are determined using an ML and/or AI algorithm to create the second process instruction.
  • the ML and/or AI algorithm can use different methods to determine the process parameters.
  • Random Forest Regression is a machine learning method of ensemble learning. An ensemble of several decision trees is combined and used for regression. This is supervised learning.
  • Gradient boosted trees is another ensemble learning that can be applied for regression and classification. It is classified as supervised learning.
  • Deep learning is a method of machine learning. Most deep learning algorithms are deep neural networks (DNNs). They consist of many layers of linear and non-linear processing units, the artificial neurons. The more neurons and layers a neural network has, the more complex the issues that can be represented.
  • DNNs deep neural networks
  • RDFs Random Decision Forests
  • Deep learning is used wherever large amounts of data are examined for patterns and trends. In the context of AI, this happens in the following areas, for example: face, object or speech recognition.
  • CNN convolutional neural network
  • ConvNet convolutional neural network
  • Recurrent or feedback neural networks are neural networks that, in contrast to feedforward networks, are characterized by connections between neurons in one layer and neurons in the same or a previous layer. In the brain, this is the preferred way of connecting neural networks, especially in the neocortex.
  • the recurrent connection of model neurons is used to discover temporally encoded information in the data. Examples of such recurrent neural networks are the Elman network, the Jordan network, the Hopfield network and the fully connected neural network.
  • the ML and/or Al algorithm uses empirical data to determine the process parameters of the second process instruction, the empirical data comprising machine data, component data, simulation data and/or experimental data.
  • the empirical data comprises data that was recorded and created using one or more previous additive manufacturing processes for components or building structures as well as the process instructions specific to each component. This data is stored in a database. In the individual application, the appropriate data is to be retrieved from the database and used as part of a calculation of the temperature development using an ML and/or Al algorithm.
  • the experience data includes machine data from different additive manufacturers.
  • the different additive manufacturers include additive manufacturers of different designs.
  • the different additive manufacturers use different CAM processes to manufacture a component.
  • the machine data includes the possible process parameters of the additive manufacturer, the possible Travel speeds that include the possible travel paths of the component to the additive manufacturer.
  • Machine data are different for different additive manufacturers and are therefore used to create the second process instruction.
  • it is possible to create second process instructions for different additive manufacturers the method according to the invention can therefore be used for different additive manufacturers.
  • the empirical data includes data from different CAM processes, wherein CAM processes include laser and/or electron beam powder bed fusion, direct energy deposition (DED), binder jetting, fused filament fabrication (FFF), melt filament printing and/or other non-abrasive computer-aided manufacturing processes that rely on a tool path with process parameters assigned to it.
  • CAM processes include laser and/or electron beam powder bed fusion, direct energy deposition (DED), binder jetting, fused filament fabrication (FFF), melt filament printing and/or other non-abrasive computer-aided manufacturing processes that rely on a tool path with process parameters assigned to it.
  • DED direct energy deposition
  • FFF fused filament fabrication
  • melt filament printing melt filament printing
  • the second method instruction comprises, compared to the first method instruction, modified values for the power of the energy beam, the irradiation times of individual vectors, the pause times between the irradiation times of individual vectors, the travel speed of the energy beam, the increase in the hatch distance between the vectors, the vector sequence, the vector length, and/or the vector alignment.
  • the construction structure manufactured according to the second method instruction and/or the component manufactured according to the second method instruction has a different design than a construction structure manufactured according to the first method instruction and/or a component manufactured according to the first
  • the mechanical characteristics of the component manufactured according to the second method instruction have changed mechanical characteristics.
  • the mechanical characteristics include the residual stress distribution in the structure and/or the component.
  • the component manufactured according to the second method instruction advantageously has a minimized residual stress distribution. The mechanical characteristics of the component are significantly improved compared to previously known methods. Using the method according to the invention, local overheating is avoided, the quality of the finished product is increased and the production yield is increased by producing less scrap.
  • a different residual stress distribution is generated in the structural element manufactured according to the second process instruction and/or in the component manufactured according to the second process instruction compared to a structural element manufactured according to the first process instruction and/or a component manufactured according to the first process instruction.
  • the component manufactured according to the second process instruction has a minimized residual stress distribution.
  • the mechanical characteristics of the component are significantly improved compared to previously known processes. Using the process according to the invention, local overheating is avoided, the quality of the finished product is increased and the production yield is increased by producing less scrap.
  • the construction structure manufactured according to the second method instruction has a different geometry compared to a construction structure manufactured according to the first method instruction.
  • a geometry in the sense of the invention is a spatial arrangement and includes properties such as angle, thickness and structure of the construction structure.
  • the changed geometry includes the geometry of the component.
  • the changed geometry includes the geometry of the support structure.
  • the construction structure manufactured according to the second method instruction has a different geometry compared to a structure manufactured according to the first procedural instruction has a support structure whose geometry has been modified in such a way that the support structure has different attachment points on the component, so that the residual stress distribution in the manufactured component is changed.
  • the first method for creating the first procedural instruction comprises the use of a first software and the second method for creating the second procedural instruction comprises the use of a second software, wherein the first software is different from the second software.
  • the formalized processes of the two different methods are implemented and processed using different software.
  • the process carried out by the first software is different from the process carried out by the second software.
  • the second software uses an ML and/or AI algorithm to create the second procedural instruction that is different from the first software to create the first procedural instruction.
  • the first software optionally does not use an ML and/or AI algorithm.
  • the first method for creating the first method instruction is carried out on a first computer unit and the second method for creating the second method instruction is carried out on a second computer unit, wherein the first computer unit is different from the second computer unit.
  • a computer unit in the sense of the invention comprises all electronic devices with data processing properties.
  • a computer unit is thus, for example, a personal computer, server, handheld computer system, pocket PC device, mobile phone device and another communication device that can process data with the aid of a computer, as well as processors and other electronic devices for data processing, which can also be connected to a network.
  • a computer unit also has a storage unit or is connected to a storage unit.
  • the two different computer units preferably differ also by their location and, most preferably, by the access rights a user has to the computer units.
  • the first method for creating the first process instruction accesses a first set of empirical data and the second method for creating the second process instruction accesses a second set of empirical data, wherein the first set of empirical data is different from the second set of empirical data.
  • the first set of empirical data comprises data that was recorded and created using one or more previous additive manufacturing processes of components or building structures as well as the process instructions specific to each component.
  • the empirical data includes machine data of the additive manufacturer for which the first process instruction is to be created, as well as component data, simulation data of the temperature distribution in the building structure during the manufacturing process and/or experimental data.
  • the second set of empirical data comprises the machine data of the additive manufacturer, component data, simulation data and/or experimental data to determine the process parameters of the second process instruction.
  • the first set of experience data is stored on a first storage device and the second set of experience data is stored on a second storage device, wherein the first storage device is different from the second storage device.
  • a storage device is understood to mean, for example, a computer-readable memory in the form of a working memory (random access memory, RAM) or a hard disk. Cloud storage is also possible.
  • the additive manufacturing of a component comprises CAM processes, wherein CAM processes comprise laser and/or electron beam powder bed fusion, direct energy deposition (DED) binder jetting and/or other non-abrasive computer-aided manufacturing processes that are based on a tool path with process parameters assigned to it.
  • CAM processes comprise laser and/or electron beam powder bed fusion, direct energy deposition (DED) binder jetting and/or other non-abrasive computer-aided manufacturing processes that are based on a tool path with process parameters assigned to it.
  • DED direct energy deposition
  • Embodiments of the method according to the invention for providing a process instruction for the additive manufacturing of a component are shown in a simplified schematic form in the drawings and are explained in more detail in the following description.
  • Fig. 1 Prior art method for providing a
  • Fig. 2 Inventive method for providing a procedural instruction
  • Fig. 3 Inventive method for providing a procedural instruction, two different methods
  • Fig. 4 Inventive method for providing a method instruction, two different computer units
  • Fig. 5 Inventive method for providing a method instruction, separate computer units and separate software
  • Fig. 6 Flowchart of the method according to the invention for providing a method instruction, separate computer units
  • Fig. 7 Flowchart of the method according to the invention for providing a method instruction, separate computer units and separate software
  • Fig. 1 shows an embodiment of a method for providing a process instruction, as is known from the prior art.
  • the starting point for carrying out additive manufacturing is a description of the workpiece using a data set.
  • software for 3D modeling e.g. a CAD program
  • the data set for the structure of the component to be manufactured is created CAD.
  • the Data set contains the three-dimensional data for preparation for production by the additive manufacturing process.
  • preprocessing 110 on the construction platform in such a way that the data set includes a volume model of the component to be manufactured and is exported in another form that represents the self-contained surface geometry of the object.
  • a manufacturing data set is generated from the data set, which contains a preparation of the geometry of the workpiece in layers or discs (so-called slices) suitable for additive manufacturing. This transformation of the data is referred to as slicing 120.
  • the additive manufacturer requires further process parameters and tool paths for production, e.g. the height of the layers to be produced, the alignment of the writing vectors, i.e. the direction and length of the path.
  • process parameters and tool paths are generated in the following process step 130 and sent to the additive manufacturer 300a/b.
  • the structure described using the CAD process CAD is additively manufactured layer by layer in the additive manufacturer using the CAM process.
  • a process instruction is created to produce a building structure using Directed Energy Deposition (DED).
  • DED Directed Energy Deposition
  • a powder or a wire is fed coaxially to a laser to form a molten or sintered layer on a substrate.
  • support structures are often necessary to attach the parts to the building plate and to secure overhangs.
  • the workpiece is 3D modelled using a data set created using a CAD program. This is followed by pre-processing 110 on the construction platform, followed by slicing 120.
  • a first process instruction is generated 100, wherein the data of the first process instruction includes the building structure geometry, the component geometry and the process parameters for influencing the energy input into the building structure.
  • these data from the first process instruction are read in 220 and used to create 200 the second process instruction.
  • the second process instruction is sent to the additive manufacturer 300a/b, and the building structure to be produced is additively manufactured using the second process instruction M.
  • Fig. 3 shows an embodiment of the method according to the invention, wherein the first method instruction is created 100 using a first method PROG1 and the second method instruction is created 200 using a second method PROG2 that is different from the first method PROG1.
  • the first method PROG1 and the second method PROG2 are formalized processes that are defined in a first software program PROG1 and in a second software program PROG2.
  • the two software programs PROG1, PROG2 are different from one another.
  • the workpiece is also 3D modeled using a data set that is created using a CAD program.
  • preprocessing 110 on the construction platform using the first method PROG1, followed by slicing 120.
  • a first process instruction is also generated 100 using the first method PROG1, whereby the data of the first process instruction includes the construction structure geometry, the component geometry and the process parameters for influencing the energy input into the construction structure.
  • These data and process parameters depend on the material of the construction structure and on the CAM process that the additive manufacturer uses to manufacture the construction structure or the component.
  • the first method PROG1 accesses 140 a first set of empirical data stored on a first storage device DB1.
  • the first set of empirical data comprises data that was recorded and created using one or more previous additive manufacturing processes for components or building structures as well as the process instructions specific to each component.
  • the empirical data includes machine data of the additive manufacturer for which the first process instruction is to be created, as well as component data, simulation data of the temperature distribution in the building structure during the manufacturing process and/or experimental data.
  • the data and process parameters of the first process instruction created using the first method PROG1 are read in using the second method PROG2 to create 200 the second process instruction.
  • machine data of the additive manufacturer used to manufacture M the building structure or the component are read in and/or entered 210 and used to create 200 the second process instruction.
  • the machine data include the possible process parameters of the additive manufacturer, the possible travel speeds, the possible travel paths of the component to the additive manufacturer.
  • Component data is also read in and/or entered 210 for the creation 200 of the second process instruction and used for the creation 200 of the second process instruction.
  • the component data include the geometry of the building structure, the geometry of the component and/or material data, wherein the material data include the phases and the concentration of the phases at a given temperature profile, the microstructure, the mechanical characteristics, the melting temperature and/or the boiling temperature.
  • simulation data is read in and/or entered 210 to create 200 the second procedure instruction.
  • the simulation data includes calculated data, which were determined based on a model and entered or specified parameters.
  • experimental data are read in and/or entered 210 to create 200 the second process instruction.
  • the experimental data include experimentally determined data and process parameters that are determined in real time during the manufacturing process M of the building structure and/or were determined from previous manufacturing processes.
  • Machine data of the additive manufacturer, component data, simulation data and experimental data are stored on a second storage device DB2 and are loaded from this to create 200 the second process instruction.
  • the second process instruction contains process parameters that are advantageously determined using an ML algorithm.
  • the ML algorithm uses empirical data to determine the process parameters of the second process instruction, the empirical data comprising the machine data of the additive manufacturer, component data, simulation data and/or experimental data that are stored on the second storage device DB2.
  • the second process instruction is sent to the additive manufacturer 300a/b, and the structure to be produced is additively manufactured M using the second process instruction.
  • FIG. 4 A further embodiment of the method according to the invention is shown in Fig. 4.
  • the first method instruction is created 100 on a first computer unit COM P1 and the second method instruction is created 200 on a second computer unit COMP2.
  • a 3D model of the workpiece is created on the first computer unit COMP1 using a data set that is created using a CAD program. This is followed by preprocessing 110 on the construction platform, followed by slicing 120.
  • a first Process instruction generates 100, whereby the data of the first process instruction includes the building structure geometry, the component geometry and the process parameters for influencing the energy input into the building structure.
  • a second process instruction To create 200 a second process instruction, these data from the first process instruction are read in 220 by the second computer unit COMP2 and used to create 200 the second process instruction.
  • the second process instruction is sent to the additive manufacturer 300a/b, and the building structure to be manufactured is additively manufactured using the second process instruction M.
  • Fig. 5 shows the preferred embodiment of the method according to the invention.
  • the first method instruction is created on a first computer unit COMP1 using a first method PROG1 100.
  • the second method instruction is created on a second computer unit COMP2 using a second method PROG2 200.
  • the first computer unit COMP1 comprises the first storage device DB1
  • the second computer unit COMP2 comprises the second storage device DB2.
  • the first method PROG1 is different from the second method PROG2
  • the first computer unit COMP1 is different from the second computer unit COMP2
  • the first storage device DB1 is different from the second storage device DB2.
  • the workpiece is also 3D modeled using a data set that is created using a CAD program.
  • preprocessing 110 on the construction platform using the first method PROG1, followed by slicing 120.
  • a first process instruction is also generated 100 using the first method PROG1 on the first computer unit COMP1, whereby the data of the first process instruction includes the construction structure geometry, the component geometry and the process parameters for influencing the energy input into the construction structure.
  • the first method PROG1 accesses 140 a first set of empirical data stored on a first storage device DB1.
  • the first set of empirical data comprises data that was recorded and created using one or more previous additive manufacturing processes for components or building structures as well as the process instructions specific to each component.
  • the empirical data includes machine data of the additive manufacturer for which the first process instruction is to be created, as well as component data, simulation data of the temperature distribution in the building structure during the manufacturing process and/or experimental data.
  • the data and process parameters of the first process instruction created using the first method PROG1 are read into the second computer unit COMP2 using the second method PROG2 to create 200 the second process instruction.
  • Machine data of the additive manufacturer, component data, simulation data and experimental data are stored on a second storage device DB2 and are loaded from this to create 200 the second process instruction.
  • the second process instruction contains process parameters that are also determined using an ML algorithm.
  • the ML algorithm uses empirical data to determine the process parameters of the second process instruction, the empirical data comprising the machine data of the additive manufacturer, component data, simulation data and/or experimental data that are stored on the second storage device DB2.
  • an ML and/or AI algorithm is used to create 200 the second procedural instruction, which uses reinforcement learning.
  • Reinforcement learning or reinforcement learning stands for a series of machine learning methods in which an agent independently learns a strategy in order to maximize the rewards received. The agent is not shown which action in which situation is the best, but it receives a reward through interaction with its environment at certain times, which can also be negative.
  • Other possibilities are the use of an ML and/or AI algorithm that uses supervised learning or unsupervised learning or intermediate stages of supervised learning or unsupervised learning. Deep learning can also be used.
  • the second process instruction is sent to the additive manufacturer 300a/b, and the building structure to be manufactured is additively manufactured using the second process instruction M.
  • Fig. 6 and Fig. 7 show embodiments of a flow chart of the method 400 according to the invention.
  • First and second method instructions are created on separate and different computer units COMP1, COMP2 100, 200 (Fig. 6).
  • the workpiece is 3D modeled using a data set that is created using a CAD program.
  • the CAD program is executed on a computer unit that is different from the first COMP1 and the second computer unit COMP2.
  • the CAD model contains data for describing the structure to be manufactured.
  • the data is provided in standardized file formats, for example as an STL file (STL: Standard Tessellation Language). This CAD data is read in by the first computer unit COMP1.
  • a first process instruction is generated 130, which includes the construction structure geometry, the component geometry and the process parameters for influencing the energy input into the construction structure.
  • a first method PROG1 i.e. a first computer program executed on the first computer unit COMP1 (Fig. 7).
  • a first set of experience data is then loaded 140 from a first database DB1 by the first computer unit COMP1, which is stored on a first storage device DB1.
  • the first storage device DB1 is arranged in the first computer unit COMP1.
  • the first set of experience data has data that was recorded and created using one or more previous additive manufacturing processes for components or building structures as well as the process instructions specific to each component.
  • the experience data includes machine data of the additive manufacturer for which the first process instruction is to be created.
  • the first process instruction is created 150 using this experience data by generating the process parameters and tool paths of the additive manufacturer.
  • the first process instruction includes the irradiation path of an energy beam, the exposure vectors, the process parameters of the beam source and/or the process parameters for influencing the energy input into the building structure.
  • the process parameters for influencing the energy input into the building structure include the power of the energy beam, the irradiation times of individual vectors, the pause times between the irradiation times of individual vectors, the travel speed of the energy beam, the hatch distance between the vectors, the vector sequence, the vector length and/or the vector orientation.
  • the process parameters for influencing the energy input into the building structure depend on the material of the building structure.
  • this first process instruction is sent to an additive manufacturer 300a/b and the construction structure can be manufactured based on the first process instruction.
  • a first construction structure - i.e. a first component with a first support structure - can therefore be manufactured using the first process instruction.
  • a second structural structure can be produced using the second process instruction, which is different from the first structural structure.
  • the structural structure that can be produced using the second process instruction has mechanical characteristics that are different from those of a structural structure produced using the first process instruction and/or a component produced using the first process instruction, the mechanical characteristics of the structural structure that can be produced using the second process instruction in particular having a different, in particular minimized, distortion and improved residual stress distribution compared to the structural structure that can be produced using the first process instruction.
  • the structural structure that can be produced using the second process instruction therefore has a different geometry, in particular of the support structure, compared to the structural structure that can be produced using the first process instruction.
  • the process parameters for influencing the energy input into the building structure, the irradiation path of an energy beam, the exposure vectors and the process parameters of the beam source of the first process instruction are read in 220 by a second computer unit COMP2, whereby the first computer unit COMP1 and the second computer unit COMP2 are different from one another.
  • machine data of the additive manufacturer, component data, simulation data and experimental data are read in and/or entered 210, which are stored on a second storage device DB2.
  • the second process instruction contains process parameters that are also determined 230 by means of an ML algorithm.
  • the ML algorithm uses empirical data to determine 230 the process parameters of the second process instruction, the empirical data comprising the machine data of the additive manufacturer, component data, simulation data and/or experimental data that are stored on the second storage device DB2. This is followed by a query as to whether a lower Distortion and in particular improved residual stress distribution in the building structure to be produced is achieved.
  • the process steps 220 to 240 are carried out using a second method PROG2, i.e. a second computer program on the second computer unit COMP2 (Fig. 7).
  • the process parameters determined using the ML algorithm are used in further iterations of the application of the second method as the starting value for the application of an ML algorithm until a minimum of the residual stress distribution in the building structure to be produced is determined.
  • the ML algorithm is used to determine a prediction model of the distortion and residual stress distribution in the building structure to be manufactured using the 220 empirical data loaded from the second database DB2 230.
  • This prediction model is used by the second method PROG2 as a starting value for optimization algorithms.
  • process parameters of the second process instruction are optimized using process steps 220 to 240 until a minimized distortion and optimized residual stress distribution in the building structure to be manufactured is determined.
  • the second process instruction therefore contains process parameters with which a structure with minimized distortion and improved residual stress distribution can be produced.
  • the second process instruction is sent to the additive manufacturer 300a/b, and the building structure to be manufactured is additively manufactured using the second process instruction M.
  • a method instruction for the additive manufacturing of a building structure is provided, with which a building structure can be produced using different CAM methods.
  • the CAM methods include laser and/or electron beam powder bed fusion, direct energy deposition (DED) binder jetting and/or other non-abrasive computer-aided manufacturing processes that rely on a tool path with associated process parameters.
  • DED direct energy deposition

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung eines Bauteils mit den Verfahrensschritten Erstellen und/oder Bereitstellen einer ersten Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung einer ersten Baustruktur, wobei die erste Baustruktur das Bauteil und eine erste Supportstruktur umfasst, wobei die erste Verfahrensanweisung mit einer ersten Methode erstellt wird, Erstellen einer zweiten Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung einer zweiten Baustruktur, wobei die zweite Baustruktur das Bauteil und eine zweite Supportstruktur umfasst, wobei die zweite Verfahrensanweisung auf der Basis der ersten Verfahrensanweisung erstellt wird, wobei die zweite Verfahrensanweisung mit einer zweiten Methode erstellt wird und wobei die erste Methode von der zweiten Methode verschieden ist.

Description

VERFAHREN ZUR BEREITSTELLUNG EINER VERFAHRENSANWEISUNG FÜR DIE ADDITIVE FERTIGUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung eines Bauteils mit den Verfahrensschritten Erstellen und/oder Bereitstellen einer ersten Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung einer ersten Baustruktur, wobei die erste Baustruktur das Bauteil und eine erste Supportstruktur umfasst, wobei die erste Verfahrensanweisung mit einer ersten Methode erstellt wird, sowie Erstellen einer zweiten Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung einer zweiten Baustruktur, wobei die zweite Baustruktur das Bauteil und eine zweite Supportstruktur umfasst, wobei die zweite Verfahrensanweisung auf der Basis der ersten Verfahrensanweisung erstellt wird, wobei die zweite Verfahrensanweisung mit einer zweiten Methode erstellt wird und wobei die erste Methode von der zweiten Methode verschieden ist.
Stand der Technik
Der 3D-Druck oder Additive Fertigung ist eine umfassende Bezeichnung für alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird und so dreidimensionale Bauteile erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach Vorgaben aus einem CAD/CAM-System. Die Schichten können dann wiederum, insbesondere bei den Direct Energy Deposition-Verfahren, in Bahnen zerlegt werden. Außerdem wird beim sog. Hatching eine Schicht in Streifen (Hatches) oder Quadrate aufgeteilt und darin parallel angeordnete Vektoren verteilt. Bei pulverbettbasierten Technologien, wie zum Beispiel dem Selective Laser Melting, erfolgt die Herstellung des Bauteils ohne weitere Unterteilung der Schichten. Beim schichtweisen Aufbau des Werkstücks wird üblicherweise ein Druckkopf oder ein Laser horizontal, d.h. in der X-Y- i Ebene bewegt und gleichzeitig werden mit dem Druckkopf oder Laser Material-Bahnen aufgebracht. Ist eine Schicht fertiggestellt, wird üblicherweise die Bauplatte, auf der das Werkstück gefertigt wird, senkrecht nach unten, also in Z-Richtung bewegt und eine weitere Schicht begonnen. Bei Aufträgen bzw. Aufschmelzen der Schichten kann das Werkstück je nach Art des aufgetragenen Materials und der eingestellten Prozessparameter (z.B. Temperatur, Vorschub) Probleme erfahren, wie etwa Rissbildung, Verformung und eine ungleichmäßige Kristallstruktur. In weiteren Fällen kann dies sogar dazu führen, dass ein gesamter Fertigungsprozess gestoppt werden muss. In dem Stand der Technik wird ein Prozessplan üblicherweise nur auf der Basis des geometrischen Designs eines Werkstücks erstellt. Falls ein derartiger Prozessplan ausgeführt wird, kann er zu einem Phänomen führen, dass ein spezieller Abschnitt des Werkstücks in einem Fertigungsprozess z.B. überhitzt wird und es schwierig ist, die Temperatur des Werkstücks effektiv zu steuern. Zusätzlich ist es im Stand der Technik in einem additiven Fertigungsprozess unmöglich, den Prozessplan insbesondere während des Fertigungsprozesses zu verändern und anzupassen, sobald ein Prozessplan vollständig erstellt ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung eines Bauteils bereitzustellen, mit dem ein verbesserter Prozessplan zur additiven Fertigung eines Werkstücks zur Verfügung gestellt wird.
Die Aufgabe wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung eines Bauteils gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den nachfolgenden Unteransprüchen dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung eines Bauteils weist zwei Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt erfolgt ein Erstellen und/oder Bereitstellen einer ersten Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung einer ersten Baustruktur, wobei die erste Baustruktur das Bauteil und eine erste Supportstruktur umfasst, wobei die erste Verfahrensanweisung mit einer ersten Methode erstellt wird.
Im zweiten Verfahrensschritt erfolgt ein Erstellen einer zweiten Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung einer zweiten Baustruktur, wobei die zweite Baustruktur das Bauteil und eine zweite Supportstruktur umfasst, wobei die zweite Verfahrensanweisung auf der Basis der ersten Verfahrensanweisung erstellt wird, wobei die zweite Verfahrensanweisung mit einer zweiten Methode erstellt wird. Erfindungsgemäß ist die erste Methode von der zweiten Methode verschieden.
Als Verfahrensanweisung werden Daten verstanden, die einem Additiv-Fertiger zum additiven Herstellen der Baustruktur zur Verfügung gestellt werden. Hierzu gehören die Verfahrensparameter für den additiven Fertiger sowie die Definition eines Werkzeugpfads. Der Werkzeugpfad besteht üblicherweise aus einer Vielzahl von aneinander gereihten Vektoren, die durch den additiven Fertiger abgefahren werden. Die Verfahrensanweisungen definieren damit eine Prozessführung, die durch den additiven Fertiger zum additiven Herstellen einer Baustruktur abgearbeitet wird.
Als additive Fertigungsverfahren im Sinne dieser Anmeldung werden Verfahren verstanden, bei denen das Material, aus dem eine Baustruktur hergestellt werden soll, der Baustruktur während der Entstehung hinzugefügt wird. Dabei entsteht die Baustruktur bereits in seiner endgültigen Gestalt oder zumindest annähernd in dieser Gestalt, wobei dann eine Nachbearbeitung erfolgt. Insbesondere weist die zu fertigende Baustruktur eine Supportstruktur auf, die einen oder mehrere Supportpunkte umfasst. Diese Supportstruktur wird während der Nachbearbeitung entfernt.
Fertigungsbedingt ist es in den genannten 3D Druckverfahren nötig, filigrane oder überhängende Strukturen im Druckprozess mittels einer Supportstruktur abzustützen. Diese Strukturen würden andernfalls der Schwerkraft folgend einstürzen. Auch im Metall 3D Druck sind Supportstruktur mitunter notwendig, allerdings aus anderen Gründen als in den Kunststoff-basierten additiven Verfahren. Hier besteht die Gefahr weniger darin, dass das Modell beim Drucken einstürzen könnte, als vielmehr darum, drohenden Verzug zu verhindern. So können sich dünne Bereiche des Modells leicht verbiegen.
Zu den Techniken, die ein additiver Fertiger zur Herstellung eines Bauteils anwendet, gehören zum Beispiel die Extrusions-Abscheidung oder selektive Abscheidungsmodellierung (SDM), Techniken wie Fused Deposition Modeling (FDM) und Fused Filament Fabrication (FFF), Stereolithographie (SLA), Polyjetdruck (PJP), Multijetdruck (MJP), selektives Laser-Sintern (SLS), selektives Laser-Schmelzen (SLM), dreidimensionales Drucken (3DP) Techniken wie Farbstrahldruck (CJP), Directed Energy Deposition (DED) und dergleichen.
Fused Filament Fabrication (FFF), auch bekannt als Fused Deposition Modeling oder auch Filament Freeform Fabrication genannt, ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein Endlosfilament aus einem thermoplastischen Material verwendet wird. Das Filament wird von einer großen Spule durch einen beweglichen, beheizten Extruderkopf des Druckers zugeführt und auf das wachsende Werkstück aufgebracht. Der Druckkopf wird computergesteuert bewegt, um die gedruckte Form zu definieren. Normalerweise bewegt sich der Kopf in zwei Dimensionen, um jeweils eine horizontale Ebene oder Schicht aufzutragen; das Werkstück oder der Druckkopf wird dann um einen kleinen Betrag vertikal bewegt, um eine neue Schicht zu beginnen. Die Geschwindigkeit des Extruderkopfes kann auch so gesteuert werden, dass die Abscheidung gestoppt und gestartet wird und eine unterbrochene Ebene entsteht, ohne dass es zwischen den Abschnitten zu Fäden oder Tropfen kommt.
Directed Energy Deposition (DED) bezeichnet eine Kategorie von additiven Fertigungsoder 3D-Druckverfahren, bei denen Pulver oder Draht koaxial zu einer Energiequelle (in der Regel einem Laser) zugeführt werden, um eine geschmolzene oder gesinterte Schicht auf einem Substrat zu bilden. Der Schmelzfilamentdruck ist derzeit das beliebteste Verfahren für den 3D-Druck insbesondere im Hobbybereich. Andere Verfahren wie die Photopolymerisation und das Pulversintern können zwar bessere Ergebnisse liefern, sind aber wesentlich teurer. Der 3D- Druckerkopf oder 3D-Drucker-Extruder ist ein Teil in der additiven Fertigung durch Materialextrusion, das für das Schmelzen oder Erweichen des Rohmaterials und dessen Formung zu einem kontinuierlichen Profil verantwortlich ist. Es wird eine Vielzahl von Filamentmaterialien extrudiert, darunter Thermoplaste wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polymilchsäure (PLA), Polyethylenterephthalat-Glykol (PETG), Polyethylenterephtathalat (PET), hochschlagfestes Polystyrol (HIPS), thermoplastisches Polyurethan (TPU) und aliphatische Polyamide (Nylon).
Im Rahmen dieser Schrift werden die Begriffe "erstellen", "berechnen", "rechnen", "feststellen", "generieren", "konfigurieren", "modifizieren", „transformieren“ und dergleichen wenn nicht anders angegeben synonym verwendet und bezeichnen vorzugsweise Handlungen und/oder Prozesse und/oder Verarbeitungsschritte, die Daten verändern und/oder erzeugen und/oder die Daten in andere Daten überführen, wobei die Daten insbesondere als physikalische Größen dargestellt werden oder vorliegen können, zum Beispiel als elektrische Impulse.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung einer Baustruktur erfolgt computergestützt, wobei der Begriff „computergestützt“ z.B in dieser Schrift derart verwendet wird, dass ein Computer oder mehrere Computer mindestens einen Verfahrensschritt des Verfahrens ausführt oder ausführen. Computer können z.B. Personal Computer, Server, Handheld-Computer- Systeme, Pocket-PC-Geräte, Mobilfunkgeräte und andere Kommunikationsgeräte sein, die rechnergestützt Daten verarbeiten können, sowie Prozessoren und andere elektronische Geräte zur Datenverarbeitung, die auch zu einem Netzwerk zusammengeschlossen sein können. Eine Methode im Sinne der Erfindung ist eine systematische und zielgerichtete Vorgehensweise zur Erstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung einer Baustruktur mittels formalisierter Abläufe. Die formalisierten Abläufe werden z.B. in einem Computerprogramm festgelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erstellt eine erste Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung einer ersten Baustruktur und eine zweite Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung einer zweiten Baustruktur. Die beiden Baustrukturen weisen das gleiche Bauteil, aber unterschiedliche Supportstrukturen auf. Mittels der ersten und der zweiten Verfahrensanweisung ist also ein und dasselbe Bauteil herstellbar, wobei die zweite Verfahrensanweisung auf Grundlage der ersten Verfahrensanweisung erstellt wird. Die erste Verfahrensanweisung wird dabei mittels der zweiten Verfahrensanweisung derart optimiert, dass das hergestellte Bauteil eine verbesserte Eigenspannungsverteilung aufweist. Beide Verfahrensanweisungen werden mittels zueinander unterschiedlichen Methoden erzeugt, z.B. mittels unterschiedlicher Computerprogramme.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst eine Verfahrensanweisung einen geometrischen Start (x,y,z) und einen geometrischen Endpunkt (x,y,z) für jeden einzelnen Vektor (Belichtungsvektor).
In einer optionalen erfindungsgemäßen Weiterbildung sind in einer Verfahrensanweisung die Laserleistung und/oder die Lasergeschwindigkeit umfasst. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist eine Verfahrensanweisung ein oder mehrere Elemente der folgenden Gruppe von Parametern auf: Typ des Vektors (Füllung, Konturvektor; Überhangsvektor, Oberflächenvektor), Polygon, das die Außengrenzen des Teils beschreibt, Start/Endzeit jedes Vektors, Pausenzeiten zwischen den Vektoren (erzwungen (z.B.) zum Abkühlen oder auf Grund von optisch/mechanischen Gegebenheiten), Pausenzeiten zwischen den Schichten, Beschichterzeiten und -informationen, Bauplattentemperatur, Zuordnung welcher Vektor von welchem Laser geschrieben wird, Bereiche, die die einzelnen Laser erreichen können, Kontinuierliche oder Pulsed Vektor, Fokus des Lasers und welche Lasermode (per Vektor), selten: Kreisbewegungen des Lasers (Wobble), Informationen über das verwendete Gas und seine Flugrichtung in der Baukammer und/oder eine Information und/oder eine Anweisung über die Schichtdicke bzw. eine Information und/oder eine Anweisung zur Absenkung der Bauplatte.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Verfahrensanweisung ein oder mehrere Elemente der folgenden Gruppe von Parametern: eine Anweisung zur Initialisierung und Einrichtung, eine Anweisungen zur Steuerung der Energiequelle mit Befehlen zur Steuerung des Lasers, des Elektronenstrahls oder Plasma-Lichtbogens, eine Anweisung zum Ein- und/oder Ausschalten der Energiequelle und/oder Anpassen ihrer Leistung, Anweisungen zur Materialzufuhr und Düsensteuerung mit Befehlen zur Steuerung der Materialflussrate und/oder Befehlen zur Steuerung der Düsentemperatur, Anweisungen zur Bewegungs- und Pfadkontrolle mit der Bewegungssteuerung der Düse und/oder des Werkstücks optional unter Angabe der Geschwindigkeit, der Richtung und/oder Richtungsänderung, der Verlauf (gerade oder kurvige Linie) und/oder der Angabe des Endpunktes und/oder Anfangspunktes und/oder der Anfangsposition (oft verwendet für die Einstellung der Anfangsposition der Materialablagerung), eine Anweisungen zu der Schichtung und Ablagemustern mit spezifischen Befehlen zur Steuerung der Schichtdicke und des Ablagemusters und/oder Anpassungen der Z-Achse für jede neue Schicht, eine Anweisung zur Kühlung und/oder zum Temperaturmanagement und/oder Befehlen für Kühlsysteme und/oder zur Verwaltung der Wärmeentwicklung, eine Anweisung für die erweiterte Steuerung beispielsweise des Gasflusses im Ablagekopf, der Energiedichte und/oder der Ablagerate, und/oder eine Anweisung zum Verfahrensende mit Befehlen zur Steuerung der Bewegung der Düse und/oder des Werkstücks in eine sichere Endposition und/oder Befehle zum Ausschalten der Energiequelle und der Materialzufuhr. Optional beinhaltet die Verfahrensanweisung eine Anweisung zum Aufträgen des Binder Materials.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die erste Verfahrensanweisung den Bestrahlungspfad eines Energiestrahls, die Belichtungsvektoren, die Prozessparameter der Strahlquelle und/oder die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur.
Als Verfahrensparameter sind alle den Herstellungsprozess mittels additiver Fertigung beeinflussenden Größen zu verstehen. Als Prozessparameter sind alle den Prozess beeinflussenden Größen zu verstehen. Der additive Fertiger benötigt Prozessparameter zum Herstellen des Bauteils, z.B. die Höhe der herzustellenden Lagen, die Ausrichtung der Vektoren, also Richtung und Länge des Weges, welchen das Werkzeug auf der Oberfläche des herzustellenden Bauteils beschreibt. Das erfindungsgemäße Verfahren erstellt eine erste Verfahrensanweisung und eine zweite Verfahrensanweisung für ein bestimmtes Material, welches zur Verarbeitung durch additives Fertigen vorgesehen ist. Die verwendeten Prozessparameter hängen von dem zur Herstellung des Bauteils additiven Fertiger ab.
Der Werkzeugpfad weist üblicherweise eine Mehrzahl von aneinander gereihten Vektoren auf, die durch den additiven Fertiger abgefahren werden. Die Verfahrensanweisungen definieren damit eine Prozessführung, die durch den additiven Fertiger zum additiven Herstellen abgearbeitet wird.
Die Wärmeabfuhr in der Baustruktur erfolgt umso langsamer, je wärmer die bereits hergestellte Baustruktur ist. Die Vektorlänge beeinflusst die Temperaturentwicklung insofern, dass die wiederholte Erwärmung von benachbarten Punkten aufgrund der parallelen Lage nacheinander belichteter Vektoren zeitlich länger auseinanderliegt. Ein wichtiger Einflussfaktor ist außerdem die Masseverteilung um die Vektoren, da diese den Wärmeabfluss und damit die Gefahr einer Überhitzung direkt beeinflusst.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung umfassen die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur die Leistung des Energiestrahls, die Bestrahlungszeiten einzelner Vektoren, die Pausenzeiten zwischen den Bestrahlungszeiten einzelner Vektoren, die Verfahrgeschwindigkeit des Energiestrahls, den Hatch-Abstand zwischen den Vektoren, die Vektorreihenfolge, die Vektorlänge und/oder die Vektorausrichtung. Auf diesem Wege lässt sich daher eine Überhitzung in gefährdeten Bereichen des Bauteils verhindern. Als Verfahrensparameter sind alle den Herstellungsprozess mittels additiver Fertigung beeinflussenden Größen zu verstehen.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung sind die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur vom Material der Baustruktur abhängig. Unterschiedliche Materialien der Baustruktur weisen unterschiedliche Materialeigenschaften auf, wie z.B. Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Schmelztemperatur, Reflektionskoeffizient des verwendeten Pulvers. Weitere Materialeigenschaften sind z.B. die Materialsteifigkeit, Materialstärke, Materialermüdung, Materialbruchdehnung, Materialelastizitätsmodul, Materialkompressionsmodul, Materialschubmodul. Ein herzustellendes Bauteil weist oft dünnwandige oder überhängende Strukturen auf. In diesen Bereichen stellt der Körper der Baustruktur lokal eine wesentlich kleinere thermische Kapazität zur Verfügung, so dass die Baustruktur unter der Verwendung von Standard-Verfahrensparametern lokal überhitzen kann.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung werden für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung Daten aus der ersten Verfahrensanweisung eingelesen und/oder eingegeben, wobei die Daten aus der ersten Verfahrensanweisung die Baustrukturgeometrie, die Bauteilgeometrie, den Bestrahlungspfad eines Energiestrahls, die Belichtungsvektoren und/oder die Prozessparameter der Strahlquelle und/oder die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur umfassen. Die erste Verfahrensanweisung stellt grundlegende Daten und Verfahrensparameter zur additiven Herstellung einer Baustruktur bereit, die Grundlage zur Erstellung einer zweiten Verfahrensanweisung ist. Mittels der zweiten Verfahrensanweisung ist eine Baustruktur herstellbar, die während des Herstellungsprozesses in besonders gefährdeten Bereichen nicht überhitzt und im abgekühlten und nachbearbeiteten Zustand eine geringere Eigenspannungsverteilung aufweist, was z.B. bei der Herstellung von Turbinenschaufeln relevant ist. In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Daten aus der ersten Verfahrensanweisung von einer externen Quelle eingelesen oder von einer externen Quelle geladen. Die externe Quelle ist eine Speichereinheit, z.B. eine Datenbank, die entfernt von der Einheit angeordnet ist, die die erste Verfahrensanweisung bereitstellt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung Maschinendaten des Additiv-Fertigers eingelesen und/oder eingegeben und/oder für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung verwendet, wobei die Maschinendaten die möglichen Prozessparameter des Additiv-Fertigers, die möglichen Verfahrgeschwindigkeiten, die möglichen Verfahrwege des Bauteils zum Additiv- Fertiger umfassen. Maschinendaten sind für unterschiedliche Additiv-Fertiger unterschiedlich und werden daher für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung herangezogen. Gleichzeitig ist es möglich, zweite Verfahrensanweisungen für unterschiedliche Additiv-Fertiger zu erstellen, das erfindungsgemäße Verfahren kann daher für unterschiedliche Additiv-Fertiger angewendet werden.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung die Bauteildaten eingelesen und/oder eingegeben und/oder für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung verwendet, wobei die Bauteildaten die Geometrie der Baustruktur, die Geometrie des Bauteils und/oder Materialdaten umfassen, und wobei die Materialdaten die Phasen, die Konzentration der Phasen, die Mikrostruktur, die mechanischen Kennwerte, die Schmelztemperatur und/oder die Siedetemperatur umfassen. Eine herzustellende Baustruktur beinhaltet oft dünnwandige oder überhängende Strukturen. In diesen Bereichen stellt der Körper lokal eine wesentlich kleinere thermische Kapazität zur Verfügung, so dass die Struktur unter der Verwendung von Standard- Prozessparametern lokal überhitzen kann. Dieses führt zum Beispiel zu unerwünscht großen Schmelzbädern, die durch die Bildung großer Schmelzperlen den Herstellungsprozess behindern. Für alle möglichen Kombinationen aus Prozess- und Materialparametern müssen entsprechende Daten in der Datenbank abgespeichert sein. Im individuellen Anwendungsfall sind die geeigneten Daten aus der Datenbank abzurufen und im Rahmen einer Berechnung der Temperaturentwicklung zu berücksichtigen.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung werden für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung Simulationsdaten eingelesen und/oder eingegeben und/oder für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung verwendet, wobei die Simulationsdaten berechnete Daten umfassen, die auf Grundlage eines Models und ein- oder vorgegebener Parameter ermittelt wurden. Die Simulationsdaten beinhalten Daten über eine Baustruktur, bei der die Schrumpfung und die Ausbildung von Gefügespannungen bei der Formgebung berücksichtigt sind, indem eine mittels des Simulationsverfahrens modifizierte Geometrie der Baustruktur hergestellt wird, die aufgrund der Spannungen und Schrumpfungen die gewünschte Geometrie der Baustruktur annimmt.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung werden für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung Experimentaldaten eingelesen und/oder eingegeben und/oder für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung verwendet, wobei die Experimentaldaten experimentell ermittelte Daten umfassen. Die Experimentaldaten umfassen Daten einer Baustruktur, die in-situ in Echtzeit und/oder in vorhergehenden Herstellungsprozessen erstellt wurden. Mit den Experimentaldaten kann die Erstellung der zweite Verfahrensanweisung Daten beinhalten, die aufgrund realer, nicht simulierter Herstellungsprozessen erfasst werden.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung werden für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung Verfahrensparameter der zweiten Verfahrensanweisung mithilfe eines ML- und/oder Al-Algorithmus ermittelt. Der ML- und/oder Al-Algorithmus kann unterschiedliche Verfahren zur Ermittlung der Verfahrensparameter nutzen.
Die möglichen zur Anwendung kommenden ML- und/oder Al-Algorithmen werden in den folgenden Absätzen beschrieben. Random Forest Regression ist eine maschinelle Lernmethode des Ensemble-Lernens. Ein Ensemble von mehreren Entscheidungsbäumen wird kombiniert und so zur Regression genutzt. Dabei handelt es sich um überwachtes Lernen.
Gradient boosted trees ist ein weiteres Ensemble Lernen, das für Regression und Klassifizierung angewandt werden kann. Es wird dem überwachten Lernen zugeordnet.
Deep Learning (deutsch: mehrschichtiges Lernen, tiefes Lernen oder tiefgehendes Lernen) bezeichnet eine Methode des maschinellen Lernens. Die meisten Deep-Learning- Algorithmen sind tiefe neuronale Netze (Deep Neural Networks, kurz DNNs). Sie bestehen aus vielen Schichten linearer und nichtlinearer Verarbeitungseinheiten, den künstlichen Neuronen. Je mehr Neuronen und Schichten ein neuronales Netz umfasst, desto komplexere Sachverhalte können dargestellt werden.
Eine andere Art von Deep-Learning-Algorithmen sind die Entscheidungsbäume (Random Decision Forests, kurz RDFs). Sie bestehen ebenfalls aus vielen Schichten, aber anstelle von neuronalen Strukturen werden die RDF aus Entscheidungsbäumen konstruiert und geben einen statistischen Durchschnitt (Modus oder Mittelwert) der Vorhersagen der einzelnen Bäume aus.
Überall dort, wo große Datenmengen nach Mustern und Trends untersucht werden, kommt Deep Learning zum Einsatz. Im Rahmen von Kl passiert das beispielsweise in folgenden Bereichen: Gesichts-, Objekt- oder Spracherkennung.
Ein Convolutional Neural Network (CNN oder ConvNet), zu Deutsch etwa „faltendes neuronales Netzwerk“, ist ein künstliches neuronales Netz. Es handelt sich um ein von biologischen Prozessen inspiriertes Konzept im Bereich des maschinellen Lernens. Convolutional Neural Networks finden Anwendung in zahlreichen Technologien der künstlichen Intelligenz, vornehmlich bei der maschinellen Verarbeitung von Bild- oder Audiodaten.
Als rekurrente bzw. rückgekoppelte neuronale Netze bezeichnet man neuronale Netze, die sich im Gegensatz zu den Feedforward-Netzen durch Verbindungen von Neuronen einer Schicht zu Neuronen derselben oder einer vorangegangenen Schicht auszeichnen. Im Gehirn ist dies die bevorzugte Verschaltungsweise neuronaler Netze, insbesondere im Neocortex. In künstlichen neuronalen Netzen wird die rekurrente Verschaltung von Modellneuronen benutzt, um zeitlich codierte Informationen in den Daten zu entdecken. Beispiele für solche rekurrenten neuronalen Netze sind das Elman-Netz, das Jordan-Netz, das Hopfield-Netz sowie das vollständig verschaltete neuronale Netz.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung verwendet der ML- und/oder Al-Algorithmus zur Ermittlung der Verfahrensparameter der zweiten Verfahrensanweisung Erfahrungsdaten, wobei die Erfahrungsdaten Maschinendaten, Bauteildaten, Simulationsdaten und/oder Experimentaldaten umfassen. Die Erfahrungsdaten weisen Daten auf, die mittels eines oder mehrerer vorhergehender additiven Fertigungsprozesse von Bauteilen bzw. Baustrukturen sowie den für jedes Bauteil spezifischen Verfahrensanweisungen erfasst und erstellt wurden. Diese Daten sind in einer Datenbank abgespeichert. Im individuellen Anwendungsfall sind die geeigneten Daten aus der Datenbank abzurufen und im Rahmen einer Berechnung der Temperaturentwicklung mittels eines ML- und/oder Al-Algorithmus heranzuziehen.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfassen die Erfahrungsdaten Maschinendaten von unterschiedlichen Additiv-Fertigern. In einer weiteren Ausführung der Erfindung umfassen die unterschiedlichen Additiv-Fertiger Additiv-Fertiger unterschiedlicher Bauart. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung verwenden die unterschiedlichen Additiv-Fertiger unterschiedliche CAM-Verfahren zur Fertigung eines Bauteils. Die Maschinendaten umfassen die möglichen Prozessparameter des Additiv-Fertigers, die möglichen Verfahrgeschwindigkeiten, die möglichen Verfahrwege des Bauteils zum Additiv-Fertiger umfassen. Maschinendaten sind für unterschiedliche Additiv-Fertiger unterschiedlich und werden daher für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung herangezogen. Gleichzeitig ist es möglich, zweite Verfahrensanweisungen für unterschiedliche Additiv- Fertiger zu erstellen, das erfindungsgemäße Verfahren kann daher für unterschiedliche Additiv-Fertiger angewendet werden.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung umfassen die Erfahrungsdaten Daten aus unterschiedlichen CAM-Verfahren, wobei CAM-Verfahren Laser und /oder Elektronenstrahl Powder Bed Fusion, Direct Energy Deposition (DED) Binder Jetting, Fused Filament Fabrication (FFF), Schmelzfilamentdruck und/oder andere nicht abrasive Verfahren der rechnergestützten Fertigung umfassen, die sich auf einen Werkzeugpfad mit diesem zugewiesenen Prozessparametern stützen. Für die Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung werden derartige Erfahrungsdaten herangezogen, eine derartige zweite Verfahrensanweisung kann daher für unterschiedliche CAM-Verfahren verwendet werden.
In einer vorteilhaften Gestaltung der Erfindung umfasst die zweite Verfahrensanweisung gegenüber der ersten Verfahrensanweisung veränderte Werte der Leistung des Energiestrahls, der Bestrahlungszeiten einzelner Vektoren, der Pausenzeiten zwischen den Bestrahlungszeiten einzelner Vektoren der Verfahrgeschwindigkeit des Energiestrahls, der Vergrößerung des Hatch-Abstandes zwischen den Vektoren, der Vektorreihenfolge, der Vektorlänge, und/oder der Vektorausrichtung. Mittels der zweiten Verfahrensanweisung ist eine Baustruktur herstellbar, die während des Herstellungsprozesses in besonders gefährdeten Bereichen nicht überhitzt und im abgekühlten und nachbearbeiteten Zustand eine geringere Eigenspannungsverteilung aufweist. Die zu fertigende Baustruktur ist daher geschützter vor lokaler Überhitzung.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Baustruktur und/oder das nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Bauteil eine gegenüber einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Baustruktur und/oder einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Bauteil veränderte mechanische Kennwerte auf. In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfassen die mechanischen Kennwerte die Eigenspannungsverteilung in der Baustruktur und/oder dem Bauteil. Vorteilhafterweise weist das nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Bauteil eine minimierte Eigenspannungsverteilung auf. Die mechanischen Kennwerte des Bauteils sind gegenüber bisher bekannten Verfahren wesentlich verbessert. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden lokale Überhitzungen vermieden, die Qualität des endgefertigten Produktes erhöht und die Ausbeute der Fertigung erhöht, indem weniger Ausschuss produziert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird während des Fertigungsprozesses in dem nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Baustruktur und/oder in dem nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Bauteil eine gegenüber einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Baustruktur und/oder einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Bauteil veränderte Eigenspannungsverteilung erzeugt. Vorteilhafterweise weist das nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Bauteil eine minimierte Eigenspannungsverteilung auf. Die mechanischen Kennwerte des Bauteils sind gegenüber bisher bekannten Verfahren wesentlich verbessert. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden lokale Überhitzungen vermieden, die Qualität des endgefertigten Produktes erhöht und die Ausbeute der Fertigung erhöht, indem weniger Ausschuss produziert wird.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung weist die nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Baustruktur eine gegenüber einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Baustruktur veränderte Geometrie auf. Eine Geometrie im Sinne der Erfindung ist eine räumliche Anordnung und umfasst Eigenschaften wie Winkel, Dicke und Struktur der Baustruktur. In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die veränderte Geometrie die Geometrie des Bauteils. In einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die veränderte Geometrie die Geometrie der Supportstruktur. Bevorzugt weist die nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Baustruktur eine gegenüber einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Baustruktur eine in der Geometrie derart veränderte Supportstruktur auf, dass die Supportstruktur unterschiedliche Ansatzpunkte an dem Bauteil aufweist, sodass die Eigenspannungsverteilung im gefertigten Bauteil verändert ist.
In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die erste Methode zur Erstellung der ersten Verfahrensanweisung die Verwendung einer ersten Software und die zweite Methode umfasst zur Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung die Verwendung einer zweiten Software, wobei die erste Software zur zweiten Software unterschiedlich ist. Die formalisierten Abläufe der beiden unterschiedlichen Methoden werden mittels unterschiedlicher Software realisiert und abgearbeitet. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist das durch die erste Software ausgeführte Verfahren unterschiedlich zum durch die zweite Software ausgeführten Verfahren. Die zweite Software verwendet zur Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung einen ML- und/oder Al-Algorithmus, der unterschiedlich ist zur ersten Software zur Erstellung der ersten Verfahrensanweisung. Die erste Software verwendet optional keinen ML- und/oder Al-Algorithmus.
In einer weiteren Gestaltung der Erfindung wird die erste Methode zur Erstellung der ersten Verfahrensanweisung auf einer ersten Computereinheit ausgeführt und die zweite Methode zur Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung wird auf einer zweiten Computereinheit ausgeführt, wobei die erste Computereinheit zur zweiten Computereinheit unterschiedlich ist. Eine Computereinheit im Sinne der Erfindung umfasst alle elektronischen Geräte mit Datenverarbeitungseigenschaften. Eine Computereinheit ist somit beispielsweise ein Personal Computer, Server, Handheld-Computer-System, Pocket- PC-Gerät, Mobilfunkgerät und ein anderes Kommunikationsgerät, das rechnergestützt Daten verarbeiten kann, sowie Prozessoren und andere elektronische Geräte zur Datenverarbeitung, die auch zu einem Netzwerk zusammengeschlossen sein können. Eine Computereinheit weist außerdem eine Speichereinheit auf oder ist mit einer Speichereinheit verbunden. Die beiden unterschiedlichen Computereinheiten unterscheiden sich bevorzugt auch durch ihren Standort und besonders bevorzugt durch die Zugriffsrechte, die ein Nutzer auf die Computereinheiten hat.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung greift die erste Methode zur Erstellung der ersten Verfahrensanweisung auf einen ersten Satz Erfahrungsdaten zu und die zweite Methode greift zur Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung auf einen zweiten Satz Erfahrungsdaten zu, wobei der erste Satz Erfahrungsdaten zum zweiten Satz Erfahrungsdaten unterschiedlich ist. Der erste Satz Erfahrungsdaten weist Daten auf, die mittels eines oder mehrerer vorhergehender additiven Fertigungsprozesse von Bauteilen bzw. Baustrukturen sowie den für jedes Bauteil spezifischen Verfahrensanweisungen erfasst und erstellt wurden. Die Erfahrungsdaten umfassen Maschinendaten des Additiv- Fertigers, für den die erste Verfahrensanweisung erstellt werden soll, sowie Bauteildaten, Simulationsdaten der Temperaturverteilung in der Baustruktur während des Herstellungsprozesses und/oder Experimentaldaten. Der zweite Satz Erfahrungsdaten weist zur Ermittlung der Verfahrensparameter der zweiten Verfahrensanweisung die Maschinendaten des Additiv-Fertigers, Bauteildaten, Simulationsdaten und/oder Experimentaldaten auf.
In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Satz Erfahrungsdaten auf einer ersten Speichereinrichtung und der zweite Satz Erfahrungsdaten auf einer zweiten Speichereinrichtung gespeichert, wobei die erste Speichereinrichtung zur zweiten Speichereinrichtung unterschiedlich ist. Unter einer Speichereinrichtung wird im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein computerlesbarer Speicher in Form eines Arbeitsspeichers (engl. Random-Access Memory, RAM) oder eine Festplatte verstanden. Möglich ist ebenfalls ein Cloud-Speicher.
In einer weiteren Ausbildung der Erfindung umfasst die additive Fertigung eines Bauteils CAM-Verfahren, wobei CAM-Verfahren Laser und /oder Elektronenstrahl Powder Bed Fusion, Direct Energy Deposition (DED) Binder Jetting und/oder andere nicht abrasive Verfahren der rechnergestützten Fertigung umfassen, die sich auf einen Werkzeugpfad mit diesem zugewiesenen Prozessparametern stützen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erstellung einer Verfahrensanweisung und die erstellte Verfahrensanweisung kann daher für unterschiedliche CAM-Verfahren verwendet werden.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung eines Bauteils sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: Verfahren aus dem Stand der Technik zur Bereitstellung einer
Verfahrensanweisung
Fig. 2: Erfindungsgemäßes Verfahren zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung
Fig. 3: Erfindungsgemäßes Verfahren zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung, zwei unterschiedliche Methoden
Fig. 4: Erfindungsgemäßes Verfahren zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung, zwei unterschiedliche Computereinheiten
Fig. 5: Erfindungsgemäßes Verfahren zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung, getrennte Computereinheiten und getrennte Software
Fig. 6: Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung, getrennte Computereinheiten
Fig. 7: Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung, getrennte Computereinheiten und getrennte Software
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ausgangspunkt für die Durchführung einer additiven Fertigung ist eine Beschreibung des Werkstücks mittels eines Datensatzes. Mittels einer Software zur 3D-Modellierung (z.B. ein CAD-Programm) wird der Datensatz für die Baustruktur des herzustellenden Bauteils erstellt CAD. Der Datensatz enthält die dreidimensionalen Daten für eine Aufbereitung zwecks Herstellung durch das additive Fertigungsverfahren.
Im Anschluss daran erfolgt eine Vorverarbeitung 110 auf der Bauplattform dahingehend, dass der Datensatz ein Volumenmodell des herzustellenden Bauteils umfasst und in eine andere Form exportiert wird, die die in sich geschlossene Oberflächengeometrie des Objekts darstellt. Aus dem Datensatz wird ein Fertigungsdatensatz erzeugt, welcher eine zum additiven Herstellen geeignete Aufbereitung der Geometrie des Werkstücks in Lagen oder Scheiben (sog. Slices) enthält. Diese Transformation der Daten wird als Slicen 120 bezeichnet.
Außerdem benötigt der Additiv-Fertiger weitere Prozessparameter und Werkzeugpfade zum Herstellen, z.B. die Höhe der herzustellenden Lagen, die Ausrichtung der Schreibvektoren, also Richtung und Länge des Weges. Diese Prozessparameter und Werkzeugpfade werden im folgenden Verfahrensschritt generiert 130 und an den Additiv- Fertiger gesendet 300a/b. Im eigentlichen Fertigungsprozess M wird die mittels CAD- Verfahren CAD beschriebene Baustruktur in dem Additiv-Fertiger mittels CAM-Verfahren Lage für Lage additiv hergestellt.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zeigt Fig. 2. In diesem und allen folgenden Ausführungsbeispielen wird eine Verfahrensanweisung erstellt, um eine Baustruktur mittels Directed Energy Deposition (DED) herzustellen. Bei der DED wird ein Pulver oder ein Draht koaxial zu einem Laser zugeführt, um eine geschmolzene oder gesinterte Schicht auf einem Substrat zu bilden.. Bei der DED sind häufig Stützstrukturen notwendig, um die Teile auf der Bauplatte zu befestigen und Überhänge abzusichern.
Zuerst erfolgt ebenfalls eine 3D-Modellierung des Werkstücks mittels eines Datensatzes, der mittels eines CAD-Programms erstellt CAD wird. Im Anschluss daran erfolgt wiederum eine Vorverarbeitung 110 auf der Bauplattform, nachgefolgt vom Slicing 120. Im folgenden Verfahrensschritt wird eine erste Verfahrensanweisung generiert 100, wobei die Daten der ersten Verfahrensanweisung die Baustrukturgeometrie, die Bauteilgeometrie sowie die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur umfasst.
Zur Erstellung einer zweiten Verfahrensanweisung 200 werden diese Daten der ersten Verfahrensanweisung eingelesen 220 und für die Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung herangezogen. Die zweite Verfahrensanweisung wird an den Additiv-Fertiger gesendet 300a/b, und die herzustellende Baustruktur wird mittels der zweiten Verfahrensanweisung additiv gefertigt M.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die erste Verfahrensanweisung mittels einer ersten Methode PROG1 erstellt 100 wird und die zweite Verfahrensanweisung mittels einer zur ersten Methode PROG1 unterschiedlichen zweiten Methode PROG2 erstellt 200 wird. Erste Methode PROG1 und zweite Methode PROG2 sind formalisierte Abläufe, die in einem ersten Software-Programm PROG1 und in einem zweiten Software-Programm PROG2 festgelegt sind. Die beiden Software-Programme PROG1 , PROG2 sind dabei unterschiedlich zueinander.
Zuerst erfolgt ebenfalls eine 3D-Modellierung des Werkstücks mittels eines Datensatzes, der mittels eines CAD-Programms erstellt CAD wird. Im Anschluss daran erfolgt mittels der ersten Methode PROG1 eine Vorverarbeitung 110 auf der Bauplattform, nachgefolgt vom Slicing 120. Im folgenden Verfahrensschritt wird ebenfalls mittels der ersten Methode PROG1 eine erste Verfahrensanweisung generiert 100, wobei die Daten der ersten Verfahrensanweisung die Baustrukturgeometrie, die Bauteilgeometrie sowie die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur umfasst. Diese Daten und Verfahrensparameter sind vom Material der Baustruktur und von dem CAM-Verfahren abhängig, das der Additiv-Fertiger zur Herstellung M der Baustruktur bzw. des Bauteils nutzt. Dazu greift 140 die erste Methode PROG1 auf einen ersten Satz Erfahrungsdaten zu, der auf einer ersten Speichereinrichtung DB1 gespeichert ist. Der erste Satz Erfahrungsdaten weist Daten auf, die mittels eines oder mehrerer vorhergehender additiven Fertigungsprozesse von Bauteilen bzw. Baustrukturen sowie den für jedes Bauteil spezifischen Verfahrensanweisungen erfasst und erstellt wurden. Die Erfahrungsdaten umfassen Maschinendaten des Additiv-Fertigers, für den die erste Verfahrensanweisung erstellt werden soll, sowie Bauteildaten, Simulationsdaten der Temperaturverteilung in der Baustruktur während des Herstellungsprozesses und/oder Experimentaldaten.
Die mittels der ersten Methode PROG1 erstellten Daten und Verfahrensparameter der ersten Verfahrensanweisung werden zur Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung durch die zweite Methode PROG2 eingelesen.
Weiterhin werden zur Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung Maschinendaten des Additiv-Fertigers, der zur Herstellung M der Baustruktur bzw. des Bauteils verwendet wird, eingelesen und/oder eingegeben 210 und für die Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung genutzt. Die Maschinendaten umfassen die möglichen Verfahrensparameter des Additiv-Fertigers, die möglichen Verfahrgeschwindigkeiten, die möglichen Verfahrwege des Bauteils zum Additiv-Fertiger.
Ebenfalls werden zur Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung Bauteildaten eingelesen und/oder eingegeben 210 und für die Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung genutzt. Die Bauteildaten umfassen die Geometrie der Baustruktur, die Geometrie des Bauteils und/oder Materialdaten, wobei die Materialdaten die Phasen und die Konzentration der Phasen bei gegebenem Temperaturverlauf, die Mikrostruktur, die mechanischen Kennwerte, die Schmelztemperatur und/oder die Siedetemperatur umfassen.
Zusätzlich werden zur Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung Simulationsdaten eingelesen und/oder eingegeben 210. Die Simulationsdaten umfassen berechnete Daten, die auf Grundlage eines Modells und eingegebener oder vorgegebener Parameter ermittelt wurden.
Außerdem werden zur Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung Experimentaldaten eingelesen und/oder eingegeben 210. Die Experimentaldaten umfassen experimentell ermittelte Daten und Verfahrensparameter, die in Echtzeit während des Herstellungsprozesses M der Baustruktur ermittelt werden und/oder aus vorhergehenden Herstellungsprozessen ermittelt wurden.
Maschinendaten des Additiv-Fertigers, Bauteildaten, Simulationsdaten und Experimentaldaten sind auf einer zweiten Speichereinrichtung DB2 gespeichert und werden zur Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung von dieser geladen.
Die zweite Verfahrensanweisung enthält Verfahrensparameter, die vorteilhafterweise mittels eines ML-Algorithmus ermittelt werden. Der ML-Algorithmus verwendet zur Ermittlung der Verfahrensparameter der zweiten Verfahrensanweisung Erfahrungsdaten, wobei die Erfahrungsdaten die Maschinendaten des Additiv-Fertigers, Bauteildaten, Simulationsdaten und/oder Experimentaldaten umfassen, die auf der zweiten Speichereinrichtung DB2 gespeichert sind. Die zweite Verfahrensanweisung wird an den Additiv-Fertiger gesendet 300a/b, und die herzustellende Baustruktur wird mittels der zweiten Verfahrensanweisung additiv gefertigt M.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt Fig. 4. Hier wird die erste Verfahrensanweisung auf einer ersten Computereinheit COM P1 erstellt 100 sowie die zweite Verfahrensanweisung auf einer zweiten Computereinheit COMP2 erstellt 200.
Zuerst erfolgt auf der ersten Computereinheit COMP1 eine 3D-Modellierung des Werkstücks mittels eines Datensatzes, der mittels eines CAD-Programms erstellt CAD wird. Im Anschluss daran erfolgt wiederum eine Vorverarbeitung 110 auf der Bauplattform, nachgefolgt vom Slicing 120. Im folgenden Verfahrensschritt wird eine erste Verfahrensanweisung generiert 100, wobei die Daten der ersten Verfahrensanweisung die Baustrukturgeometrie, die Bauteilgeometrie sowie die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur umfasst.
Zur Erstellung 200 einer zweiten Verfahrensanweisung werden diese Daten der ersten Verfahrensanweisung von der zweiten Computereinheit COMP2 eingelesen 220 und für die Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung herangezogen. Die zweite Verfahrensanweisung wird an den Additiv-Fertiger gesendet 300a/b, und die herzustellende Baustruktur wird mittels der zweiten Verfahrensanweisung additiv gefertigt M.
Fig. 5 zeigt die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hier wird die erste Verfahrensanweisung auf einer ersten Computereinheit COMP1 mittels einer ersten Methode PROG1 erstellt 100. Die zweite Verfahrensanweisung wird auf einer zweiten Computereinheit COMP2 mittels einer zweiten Methode PROG2 erstellt 200. Die erste Computereinheit COMP1 umfasst die erste Speichereinrichtung DB1 , die zweite Computereinheit COMP2 umfasst die zweite Speichereinrichtung DB2. Dabei sind jeweils die erste Methode PROG1 unterschiedlich zur zweiten Methode PROG2, die erste Computereinheit COMP1 unterschiedlich zur zweiten Computereinheit COMP2 und die erste Speichereinrichtung DB1 unterschiedlich zur zweiten Speichereinrichtung DB2.
Zuerst erfolgt ebenfalls eine 3D-Modellierung des Werkstücks mittels eines Datensatzes, der mittels eines CAD-Programms erstellt CAD wird. Im Anschluss daran erfolgt mittels der ersten Methode PROG1 eine Vorverarbeitung 110 auf der Bauplattform, nachgefolgt vom Slicing 120. Im folgenden Verfahrensschritt wird ebenfalls mittels der ersten Methode PROG1 auf der ersten Computereinheit COMP1 eine erste Verfahrensanweisung generiert 100, wobei die Daten der ersten Verfahrensanweisung die Baustrukturgeometrie, die Bauteilgeometrie sowie die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur umfasst. Diese Daten und Verfahrensparameter sind vom Material der Baustruktur und von dem CAM-Verfahren abhängig, das der Additiv-Fertiger zur Herstellung M der Baustruktur bzw. des Bauteils nutzt. Dazu greift 140 die erste Methode PROG1 auf einen ersten Satz Erfahrungsdaten zu, der auf einer ersten Speichereinrichtung DB1 gespeichert ist. Der erste Satz Erfahrungsdaten weist Daten auf, die mittels eines oder mehrerer vorhergehender additiven Fertigungsprozesse von Bauteilen bzw. Baustrukturen sowie den für jedes Bauteil spezifischen Verfahrensanweisungen erfasst und erstellt wurden. Die Erfahrungsdaten umfassen Maschinendaten des Additiv-Fertigers, für den die erste Verfahrensanweisung erstellt werden soll, sowie Bauteildaten, Simulationsdaten der Temperaturverteilung in der Baustruktur während des Herstellungsprozesses und/oder Experimentaldaten.
Die mittels der ersten Methode PROG1 erstellten Daten und Verfahrensparameter der ersten Verfahrensanweisung werden zur Erstellung 200 auf der zweiten Computereinheit COMP2 der zweiten Verfahrensanweisung durch die zweite Methode PROG2 eingelesen. Maschinendaten des Additiv-Fertigers, Bauteildaten, Simulationsdaten und Experimentaldaten sind auf einer zweiten Speichereinrichtung DB2 gespeichert und werden zur Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung von dieser geladen.
Die zweite Verfahrensanweisung enthält Verfahrensparameter, die ebenfalls mittels eines ML-Algorithmus ermittelt werden. Der ML-Algorithmus verwendet zur Ermittlung der Verfahrensparameter der zweiten Verfahrensanweisung Erfahrungsdaten, wobei die Erfahrungsdaten die Maschinendaten des Additiv-Fertigers, Bauteildaten, Simulationsdaten und/oder Experimentaldaten umfassen, die auf der zweiten Speichereinrichtung DB2 gespeichert sind.
In diesem und allen weiteren Ausführungsbeispielen wird ein ML- und/oder Al-Algorithmus zur Erstellung 200 der zweiten Verfahrensanweisung verwendet, der Reinforcement Learning einsetzt. Bestärkendes Lernen oder verstärkendes Lernen (englisch Reinforcement Learning, RL) steht für eine Reihe von Methoden des maschinellen Lernens, bei denen ein Agent selbstständig eine Strategie erlernt, um erhaltene Belohnungen zu maximieren. Dabei wird dem Agenten nicht vorgezeigt, welche Aktion in welcher Situation die beste ist, sondern er erhält durch die Interaktion mit seiner Umwelt zu bestimmten Zeitpunkten eine Belohnung, die auch negativ sein kann. Weitere Möglichkeiten sind die Verwendung eines ML- und/oder Al-Algorithmus, der überwachtes Lernen oder unüberwachtes Lernen oder Zwischenstufen von überwachtem Lernen oder unüberwachtem Lernen einsetzt. Weiterhin kann auch Deep Learning eingesetzt werden.
Die zweite Verfahrensanweisung wird an den Additiv-Fertiger gesendet 300a/b, und die herzustellende Baustruktur wird mittels der zweiten Verfahrensanweisung additiv gefertigt M.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen Ausführungsbeispiele eines Ablaufdiagramms des erfindungsgemäßen Verfahrens 400. Erste und zweite Verfahrensanweisung werden auf getrennten und unterschiedlichen Computereinheiten COMP1, COMP2 erstellt 100, 200 (Fig. 6).
Zuerst erfolgt eine 3D-Modellierung des Werkstücks mittels eines Datensatzes, der mittels eines CAD-Programms erstellt CAD wird. Das CAD-Programm wird in diesem und dem folgenden Ausführungsbeispiel auf einer von der ersten COMP1 und der zweiten Computereinheit COMP2 unterschiedlichen Computereinheit ausgeführt. Das CAD-Modell beinhaltet Daten zur Beschreibung der zu fertigenden Baustruktur. Die Daten werden in standardisierten Dateiformaten bereitgestellt, beispielsweise als STL-File (STL: Standard Tessellation Language). Diese CAD-Daten werden von der ersten Computereinheit COMP1 eingelesen.
Im Anschluss daran erfolgt wiederum eine Vorverarbeitung 110 auf der Bauplattform, nachgefolgt vom Slicing 120. Im folgenden Verfahrensschritt wird eine erste Verfahrensanweisung generiert 130, die Baustrukturgeometrie, die Bauteilgeometrie sowie die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur umfasst. Diese genannten Verfahrensschritt werden mittels einer ersten Methode PROG1, also einem ersten Computerprogramm auf der ersten Computereinheit COMP1 ausgeführt (Fig. 7).
Aus einer ersten Datenbank DB1 werden dann von der ersten Computereinheit COMP1 ein erster Satz Erfahrungsdaten geladen 140, der auf einer ersten Speichereinrichtung DB1 gespeichert ist. Die erste Speichereinrichtung DB1 ist in diesem und dem folgenden Ausführungsbeispiel in der ersten Computereinheit COMP1 angeordnet. Der erste Satz Erfahrungsdaten weist Daten auf, die mittels eines oder mehrerer vorhergehender additiven Fertigungsprozesse von Bauteilen bzw. Baustrukturen sowie den für jedes Bauteil spezifischen Verfahrensanweisungen erfasst und erstellt wurden. Die Erfahrungsdaten umfassen Maschinendaten des Additiv-Fertigers, für den die erste Verfahrensanweisung erstellt werden soll. Mit diesen Erfahrungsdaten wird die erste Verfahrensanweisung erstellt 150, indem die Verfahrensparameter und Werkzeugpfade des Additiv-Fertigers generiert werden.
Die erste Verfahrensanweisung umfasst abhängig von der CAM-Methode des Additiv- Fertigers den Bestrahlungspfad eines Energiestrahls, die Belichtungsvektoren, die Prozessparameter der Strahlquelle und/oder die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur. Die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur umfassen die Leistung des Energiestrahls, die Bestrahlungszeiten einzelner Vektoren, die Pausenzeiten zwischen den Bestrahlungszeiten einzelner Vektoren, die Verfahrgeschwindigkeit des Energiestrahls, den Hatch-Abstand zwischen den Vektoren, die Vektorreihenfolge, die Vektorlänge und/oder die Vektorausrichtung. Die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur sind vom Material der Baustruktur abhängig.
Optional wird diese erste Verfahrensanweisung an einen Additiv-Fertiger versendet 300a/b und aufgrund der ersten Verfahrensanweisung die Baustruktur gefertigt M werden. Mittels der ersten Verfahrensanweisung ist also eine erste Baustruktur - also ein erstes Bauteil mit einer ersten Supportstruktur - herstellbar. Vorteilhafterweise ist mittels der zweiten Verfahrensanweisung eine zweite Baustruktur herstellbar, die unterschiedlich ist zur ersten Baustruktur. Die mittels der zweiten Verfahrensanweisung herstellbare Baustruktur weist eine gegenüber einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Baustruktur und/oder einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Bauteil veränderte mechanische Kennwerte auf, wobei die mechanischen Kennwerte mittels der zweiten Verfahrensanweisung herstellbaren Baustruktur insbesondere eine veränderte, insbesondere minimierter Verzug und verbesserte Eigenspannungsverteilung gegenüber der mittels der ersten Verfahrensanweisung herstellbaren Baustruktur aufweist. Die mittels der zweiten Verfahrensanweisung herstellbaren Baustruktur weist daher gegenüber der mittels der ersten Verfahrensanweisung herstellbaren Baustruktur eine veränderte Geometrie insbesondere der Supportstruktur auf.
Dazu werden die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur, Bestrahlungspfad eines Energiestrahls, die Belichtungsvektoren sowie die Prozessparameter der Strahlquelle der ersten Verfahrensanweisung von einer zweiten Computereinheit COMP2 eingelesen 220, wobei erste Computereinheit COMP1 und zweite Computereinheit COMP2 unterschiedlich zueinander sind. Zusätzlich werden Maschinendaten des Additiv-Fertigers, Bauteildaten, Simulationsdaten und Experimentaldaten eingelesen und/oder eingegeben 210, die auf einer zweiten Speichereinrichtung DB2 gespeichert sind.
Die zweite Verfahrensanweisung enthält Verfahrensparameter, die ebenfalls mittels eines ML-Algorithmus ermittelt 230 werden. Der ML-Algorithmus verwendet zur Ermittlung 230 der Verfahrensparameter der zweiten Verfahrensanweisung Erfahrungsdaten, wobei die Erfahrungsdaten die Maschinendaten des Additiv-Fertigers, Bauteildaten, Simulationsdaten und/oder Experimentaldaten umfassen, die auf der zweiten Speichereinrichtung DB2 gespeichert sind. Im Anschluss daran erfolgt eine Abfrage, ob aufgrund der mittels des ML-Algorithmus ermittelten Verfahrensparameter ein geringerer Verzug und insbesondere verbesserte Eigenspannungsverteilung in der herzustellenden Baustruktur erzielt wird. Die Verfahrensschritte 220 bis 240 werden mittels einer zweiten Methode PROG2, also einem zweiten Computerprogramm auf der zweiten Computereinheit COMP2 ausgeführt (Fig. 7). Die mittels des ML-Algorithmus ermittelten Verfahrensparameter werden in weiteren Iterationen der Anwendung der zweiten Methode so lange als Startwert der Anwendung eines ML-Algorithmus angewendet, bis ein Minimum der Eigenspannungsverteilung in der herzustellenden Baustruktur ermittelt ist.
Alternativ wird der ML-Algorithmus genutzt, um mittels der aus der zweiten Datenbank DB2 geladenen 220 Erfahrungsdaten ein Vorhersagemodell der Verzugs- und Eigenspannungsverteilung in der herzustellenden Baustruktur zu ermitteln 230. Dieses Vorhersagemodell wird von der zweiten Methode PROG2 als Startwert von Optimierungsalgorithmen herangezogen. Mittels der Optimierungsalgorithmen werden Verfahrensparameter der zweiten Verfahrensanweisung mittels Verfahrensschritte 220 bis 240 der so lange optimiert, bis ein minimierter Verzug und optimierte Eigenspannungsverteilung in der herzustellenden Baustruktur ermittelt ist.
Die zweite Verfahrensanweisung weist also Verfahrensparameter auf, mit denen eine Baustruktur mit minimiertem Verzug und verbesserter Eigenspannungsverteilung herstellbar ist.
Die zweite Verfahrensanweisung wird an den Additiv-Fertiger gesendet 300a/b, und die herzustellende Baustruktur wird mittels der zweiten Verfahrensanweisung additiv gefertigt M.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens 400 wird eine Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung einer Baustruktur bereitgestellt, mit dem eine Baustruktur mittels unterschiedlicher CAM-Verfahren herstellbar ist. Die CAM-Verfahren umfassen Laser und /oder Elektronenstrahl Powder Bed Fusion, Direct Energy Deposition (DED) Binder Jetting und/oder andere nicht abrasive Verfahren der rechnergestützten Fertigung, die sich auf einen Werkzeugpfad mit diesem zugewiesenen Prozessparametern stützen.
B EZ U G SZ E I C H E N L I S TE
CAD Erstellen eines CAD-Modells
COMP1 Erste Computereinheit
COMP2 Zweite Computereinheit
PROG1 Erste Software
PROG2 Zweite Software
DB1 Erste Speichereinrichtung
DB2 Zweite Speichereinrichtung
M Ausführen der Verfahrensanweisung / Additive Fertigung des
Bauteils
100 Erstellen der ersten Verfahrensanweisung
110 Vorverarbeitung auf Bauplattform / in Prozesskammer
120 Slicen
130 Generierung der Prozessparameter und Werkzeugpfade
140 Einlesen von Daten aus erster Datenbank
150 Generierung der Prozessparameter und Werkzeugpfade mittels der Daten aus erster Datenbank
200 Erstellen der zweiten Verfahrensanweisung
210 Einlesen von Daten aus zweiter Datenbank
220 Einlesen von Daten aus der ersten Verfahrensanweisung
230 Erstellen der zweiten Verfahrensanweisung unter Einbeziehung der Daten aus der ersten Verfahrensanweisung und Anwendung eines ML-Algorithmus
240 Abfrage, ob geringerer Verzug und verbesserte Eigenspannungsverteilung in herzustellender Baustruktur erzielt ist
250 Versenden der zweiten Verfahrensanweisung a/b Versenden der zweiten Verfahrensanweisung an den Additiv- Fertiger Verfahren zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung eines Bauteils

Claims

PA TE N TA N S P R Ü C H E
1. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils mit den Verfahrensschritten:
• Erstellen und/oder Bereitstellen (100) einer ersten Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) einer ersten Baustruktur, wobei die erste Baustruktur das Bauteil und eine erste Supportstruktur umfasst, wobei die erste Verfahrensanweisung mit einer ersten Methode erstellt (100) wird,
• Erstellen (200) einer zweiten Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) einer zweiten Baustruktur, wobei die zweite Baustruktur das Bauteil und eine zweite Supportstruktur umfasst, wobei die zweite Verfahrensanweisung auf der Basis der ersten Verfahrensanweisung erstellt (200) wird, wobei die zweite Verfahrensanweisung mit einer zweiten Methode erstellt (200) wird, wobei die erste Methode von der zweiten Methode verschieden ist.
2. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verfahrensanweisung den Bestrahlungspfad eines Energiestrahls, die Belichtungsvektoren, die Prozessparameter der Strahlquelle und/oder die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur umfasst.
3. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur die Leistung des Energiestrahls, die Bestrahlungszeiten einzelner Vektoren, die Pausenzeiten zwischen den Bestrahlungszeiten einzelner Vektoren, die Verfahrgeschwindigkeit des Energiestrahls, den Hatch-Abstand zwischen den Vektoren, die Vektorreihenfolge, die Vektorlänge und/oder die Vektorausrichtung umfassen.
4. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur vom Material der Baustruktur abhängig sind.
5. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erstellung (200) der zweiten Verfahrensanweisung Daten aus der ersten Verfahrensanweisung eingelesen und/oder eingegeben werden (220), wobei die Daten aus der ersten Verfahrensanweisung die Baustrukturgeometrie, die Bauteilgeometrie, den Bestrahlungspfad eines Energiestrahls, die Belichtungsvektoren und/oder die Prozessparameter der Strahlquelle und/oder die Verfahrensparameter zur Beeinflussung des Energieeintrags in die Baustruktur umfassen.
6. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten aus der ersten Verfahrensanweisung von einer externen Quelle eingelesen (220) oder von einer externen Quelle geladen werden. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erstellung (200) der zweiten Verfahrensanweisung Maschinendaten des Additiv-Fertigers eingelesen und/oder eingegeben (210) und/oder für die Erstellung (200) der zweiten Verfahrensanweisung verwendet werden, wobei die Maschinendaten die möglichen Prozessparameter des Additiv-Fertigers, die möglichen Verfahrgeschwindigkeiten, die möglichen Verfahrwege des Bauteils zum Additiv-Fertiger umfassen. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erstellung (200) der zweiten Verfahrensanweisung die Bauteildaten eingelesen und/oder eingegeben (210) und/oder für die Erstellung (200) der zweiten
Verfahrensanweisung verwendet werden, wobei die Bauteildaten die Geometrie der Baustruktur, die Geometrie des Bauteils und/oder Materialdaten umfassen, wobei die Materialdaten die Phasen, die Konzentration der Phasen, die Mikrostruktur, die mechanischen Kennwerte, die Schmelztemperatur und/oder die Siedetemperatur umfassen.
9. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erstellung (200) der zweiten Verfahrensanweisung Simulationsdaten eingelesen und/oder eingegeben (210) und/oder für die Erstellung (200) der zweiten
Verfahrensanweisung verwendet werden, wobei die Simulationsdaten berechnete Daten umfassen, die auf Grundlage eines Modells und eingegebener oder vorgegebener Parameter ermittelt wurden.
10. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erstellung (200) der zweiten Verfahrensanweisung Experimentaldaten eingelesen und/oder eingegeben und/oder für die Erstellung (200) der zweiten Verfahrensanweisung verwendet werden, wobei die Experimentaldaten experimentell ermittelte Daten umfassen.
11. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erstellung (200) der zweiten Verfahrensanweisung Verfahrensparameter der zweiten Verfahrensanweisung mithilfe eines ML- und/oder Al-Algorithmus ermittelt werden.
12. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der ML- und/oder Al-Algorithmus zur Ermittlung der Verfahrensparameter der zweiten Verfahrensanweisung Erfahrungsdaten verwendet, wobei die Erfahrungsdaten Maschinendaten, Bauteildaten, Simulationsdaten und/oder Experimentaldaten umfassen.
13. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfahrungsdaten Maschinendaten von unterschiedlichen Additiv-Fertigern umfassen.
14. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Additiv-Fertiger Additiv-Fertiger unterschiedlicher Bauart sind.
15. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Additiv-Fertiger unterschiedliche CAM-Verfahren zur Fertigung (M) eines Bauteils nutzen.
16. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfahrungsdaten Daten aus unterschiedlichen CAM-Verfahren umfassen, wobei CAM-Verfahren Laser und/oder Elektronenstrahl Powder Bed Fusion, Direct Energy Deposition (DED) Binder Jetting und/oder andere nicht abrasive Verfahren der rechnergestützten Fertigung umfassen, die sich auf einen Werkzeugpfad mit diesen zugewiesenen Prozessparametern stützen.
17. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verfahrensanweisung gegenüber der ersten Verfahrensanweisung veränderte Werte der Leistung des Energiestrahls, der Bestrahlungszeiten einzelner Vektoren, der Pausenzeiten zwischen den Bestrahlungszeiten einzelner Vektoren der Verfahrgeschwindigkeit des Energiestrahls, der Vergrößerung des Hatch- Abstandes zwischen den Vektoren, der Vektorreihenfolge, der Vektorlänge, und/oder der Vektorausrichtung umfasst.
18. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Baustruktur und/oder das nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Bauteil eine gegenüber einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Baustruktur und/oder einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Bauteil veränderte mechanische Kennwerte aufweist.
19. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Kennwerte die Eigenspannungsverteilung in der Baustruktur und/oder dem Bauteil umfassen.
20. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Fertigungsprozesses (M) in dem nach der zweiten
Verfahrensanweisung gefertigte Baustruktur und/oder in dem nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Bauteil eine gegenüber einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Baustruktur und/oder einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Bauteil veränderte Eigenspannungsverteilung erzeugt wird.
21. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nach der zweiten Verfahrensanweisung gefertigte Baustruktur eine gegenüber einem nach der ersten Verfahrensanweisung gefertigten Baustruktur veränderte Geometrie aufweist.
22. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die veränderte Geometrie die Geometrie des Bauteils umfasst.
23. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderte Geometrie die Geometrie der Supportstruktur umfasst.
24. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Methode zur Erstellung der ersten Verfahrensanweisung die Verwendung einer ersten Software (PROG1) umfasst und die zweite Methode zur Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung die Verwendung einer zweiten Software (PROG2) umfasst, wobei die erste Software (PROG1) zur zweiten Software (PROG2) unterschiedlich ist. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die erste Software (PROG1) ausgeführte Verfahren unterschiedlich ist zum durch die zweite Software (PROG2) ausgeführten Verfahren. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Methode zur Erstellung (100) der ersten Verfahrensanweisung auf einer ersten Computereinheit (COMP1) ausgeführt wird und die zweite Methode zur Erstellung (200) der zweiten Verfahrensanweisung auf einer zweiten Computereinheit (COMP2) ausgeführt wird, wobei die erste Computereinheit (COMP1) zur zweiten Computereinheit (COMP2) unterschiedlich ist. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Methode zur Erstellung der ersten Verfahrensanweisung auf einen ersten Satz Erfahrungsdaten zugreift und die zweite Methode zur Erstellung der zweiten Verfahrensanweisung auf einen zweiten Satz Erfahrungsdaten zugreift, wobei der erste Satz Erfahrungsdaten zum zweiten Satz Erfahrungsdaten unterschiedlich ist. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Satz Erfahrungsdaten auf einer ersten Speichereinrichtung und der zweite Satz Erfahrungsdaten auf einer zweiten Speichereinrichtung gespeichert sind, wobei die erste Speichereinrichtung zur zweiten Speichereinrichtung unterschiedlich ist. Verfahren (400) zur Bereitstellung einer Verfahrensanweisung zur additiven Fertigung (M) eines Bauteils nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die additive Fertigung (M) eines Bauteils CAM-Verfahren umfasst wobei CAM-Verfahren Laser und /oder Elektronenstrahl Powder Bed Fusion, Direct Energy Deposition (DED) Binder Jetting und/oder andere nicht abrasive Verfahren der rechnergestützten Fertigung umfassen, die sich auf einen Werkzeugpfad mit diesem zugewiesenen Prozessparametern stützen.
PCT/EP2023/081595 2022-11-14 2023-11-13 Verfahren zur bereitstellung einer verfahrensanweisung für die additive fertigung WO2024104951A1 (de)

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