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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines Formkörpers gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Die Eigenschaften von Kunststoffen hängen unter anderem stark von der Kettenlänge der ihnen zugrundeliegenden Makromoleküle ab. Grundsätzlich ist zu erwarten, dass eine Veränderung der Kettenlänge beispielsweise bei einem Ab- bzw. einem Aufbau mit einer Veränderung, insbesondere deren mechanischer Eigenschaften einhergeht. Eine solche Eigenschaftsänderung ist in vielen Fällen nicht gewünscht. Sie wird beispielsweise bewirkt durch die Einwirkung von Temperatur, einer Scherung, von UV-Strahlung oder chemischen Reaktionen.
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Zur Erzeugung von Formkörpern werden in der klassischen Kunststoffverarbeitung Prozesse, wie beispielsweise Spritzgießen, Extrudieren, Blasformen, etc. zur Anwendung gebracht. In jüngerer Zeit werden zunehmend auch Methoden der additiven Fertigung, die auch als 3D-Druck bekannt sind, eingesetzt. Einen Sonderfall additiver Fertigungsmethoden stellt das sogenannte SLS-Verfahren dar (selektives Lasersintern), bei dem ein Kunststoffpulver vorgelegt und durch einen lokalen Energieeintrag eines Lasers schichtweise aufgeschmolzen und gesintert wird. Auf diese Weise wird schichtweise ein entsprechender Formkörper aufgebaut. Am Ende des Formgebungsprozesses wird nicht gesintertes Pulver entfernt und es bleibt der fertiggestellte Formkörper zurück. Bei Anwendung eines SLS-Verfahrens sind jedoch der Temperaturführung enge Grenzen gesetzt. Um den Energieeintrag des verwendeten Lasers möglichst gering zu halten, wird das Pulver in der Pulverkammer stark vorerwärmt. Somit erfährt sowohl das zur Formgebung des Formkörpers nötige Pulver als auch das während des Formgebungsprozesses nicht zum Einsatz kommende Kunststoffpulver über einen längeren Zeitraum hinweg eine thermische Belastung. Diese kann zu einer Materialveränderung und somit zu einer Veränderung der mechanischen Eigenschaften des Kunststoffmaterials und somit letztlich zu einer Veränderung der Eigenschaften des erzeugten Formkörpers führen. Da nicht verwendetes Kunststoffpulver erneut im Fertigungsprozess zum Einsatz kommt, besteht somit die Gefahr, Formkörper einer geringen mechanischen Qualität zu erzeugen. Eine ausrechend konstante Materialqualität derart erzeugter Formkörper kann somit nur schwer gewährleistet werden. Derzeit wird in einem solchen Fall die Materialveränderung des verwendeten Kunststoffpulvers außerhalb des Fertigungsprozesses mittels einer entsprechenden Materialanalyse vorgenommen. Dies führt jedoch zu einer Verzögerung des Fertigungsvorgangs.
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Diesbezüglich ist es aus der
US 2016/185048 bekannt, im Rahmen eines additiven Fertigungsprozesses mittels optischer Analytik die Fertigungsqualität eines auf diese Weise erzeugten Formkörpers während der Fertigung zu überwachen. Weiterhin ist es aus der
US 2017/246810 bekannt, im Rahmen eines additiven Fertigungsprozesses eine Prozesskontrolle auf statistischer Basis auszuführen und auf diese Weise Prozessparameter zu überwachen. Darüber hinaus ist es aus der
US 2016/067779 bekannt, in einem additiven Fertigungsprozess die Kontaminierung von Prozesskammern und anderer Fertigungseinrichtungen mit Kunststoffpulver zu überwachen. Auch aus der
US 2019/022946 ist ein Verfahren zur Kontrolle eines additiven Fertigungsprozesses bekannt, bei dem ein oder mehrere Sensoren, beispielsweise Temperatursensoren, zur Kontrolle des eigentlichen Fertigungsprozesses herangezogen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum Herstellen von Formkörpern mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche zur Verfügung gestellt.
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So wird in vorteilhafter Weise eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Formkörpers vorzugsweise durch Lasersintern bereitgestellt, die einen Vorratsraum für ein Sintermaterial sowie einen Laser umfasst, welcher ausgebildet ist, Laserstrahlen zum zumindest teilweise Versintern des Sintermaterials zu erzeugen und die einen Sensor aufweist, mittels dem sich der Degradationszustand des Sintermaterials bestimmen lässt.
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Unter einer Degradation wird eine Veränderung des Sintermaterials auf molekularer Ebene verstanden, die makroskopisch zu einer Alterung bzw. Zersetzung, Versprödung oder einem Festigkeitsverlust führt. Im Falle von Kunststoffen beruht dies beispielsweise auf einem Abbau der makromolekularen Polymerketten des Kunststoffs. Dies wird auch als Depolymerisation bezeichnet. Weiterhin fallen hierunter auch chemische, thermische oder strahlungsinduzierte Abbauprozesse auf molekularer Ebene.
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Der besondere Vorteil dieser Vorgehensweise besteht darin, die Güte des eingesetzten Sintermaterials innerhalb des additiven Fertigungsprozesses prozessbegleitend analysieren zu können. Dies ist insbesondere deswegen von Bedeutung, weil bei einem additiven Fertigungsverfahren nicht benötigtes Sintermaterial ggf. unter Zumischung von frischem Sintermaterial erneut dem additiven Fertigungsprozess zugesetzt wird. Kommt es dabei zu einem Anstieg von degradierten Sintermaterial, so ist dies mit einem Eigenschaftsverlust des resultierenden, mittels additiver Fertigungsmethodik hergestellten Formkörpers verbunden. Da die Analyse des verwendeten Sintermaterials im Prozess selbst stattfindet, kann auf eine externe Analytik und somit auf eine Unterbrechung des Fertigungsprozesses verzichtet werden. Gleichzeitig vermeidet diese Methodik auch das Verwerfen von eigentlich noch geeignetem Sintermaterial aus reinen Vorsichtsgründen. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher, kostengünstiger und nachhaltiger Fertigungsprozess gewährleistet.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So ist von Vorteil, wenn der Sensor zur Bestimmung des Degradationszustandes eines Sintermaterials sich innerhalb des Aufnahmeraums der Vorrichtung befindet. Auf diese Weise kann auf direktem Wege der Degradationszustand des Sintermaterials bestimmt werden.
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Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Vorrichtung zusätzlich einen Vorratsraum für ein Sintermaterial aufweist, aus dem über eine Fördervorrichtung der Vorrichtung Sintermaterial in den Aufnahmeraum der Vorrichtung transportiert werden und dort für den Fertigungsprozess additiver Art zur Verfügung gestellt werden kann. Hierbei ist von Vorteil, wenn der mindestens eine Sensor zur Bestimmung des Degradationszustandes eines Sintermaterials im Vorratsraum der Vorrichtung vorgesehen ist, wobei auch eine Kombination vorgesehen sein kann, bei der sowohl ein erster Sensor zur Bestimmung des Degradationszustandes des Sintermaterials im Vorratsraum der Vorrichtung und ein zweiter Sensor zur Bestimmung eines Degradationszustandes des Sintermaterials im Aufnahmeraum der Vorrichtung positioniert ist. Auf diese Weise kann zuverlässig der Degradationszustand eines Sintermaterials innerhalb der Vorrichtung fertigungsbegleitend erfasst und ausgewertet werden.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn als Sensor zur Bestimmung eines Degradationszustandes eines Sintermaterials ein spektraler Sensor verwendet wird. Dieser gestattet auf einfache Weise eine Erfassung des Degradationszustandes eines Sintermaterials.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines FTIR-Spektralsensors, da auf diese Weise eine Vielzahl an Informationen zur molekularen Zusammensetzung der polymeren Anteile des Sintermaterials gewonnen werden können, auf deren Basis sich Materialkenngrößen wie z.B. deren Materialalterung oder Degradationszustand bestimmen lässt.
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Zur Auswertung werden bspw. Modelle des maschinellen Lernens herangezogen, die aus unterschiedlichen Algorithmen aufgebaut sind. Diese umfassen bspw. eine Datenvorverarbeitung, die den jeweiligen Eingabedaten angepasst ist, z.B. in Form einer Fourrier Transformation zur Minimierung des Signalrauschens, einer SNV Transformation, um einen Offset der Signale herausrechnen zu können, einer Störgrößeneliminierung, um die Geräteunabhängigkeit gewährleisten zu können, einer Dimensions- bzw Featureselection, bspw. in Form von PCA und/oder von Klassifikations und/oder Regressionsalgorithmen wie bspw. ANN und SMV, da diese für nicht-lineare Klassifizierungsprobleme geeignet sind.
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Vorteilhafterweise wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mittels additiver Fertigung aus einem Sintermaterial vorgestellt. Dabei wird ein Formkörper in aufeinanderfolgenden Schichten aus einem Sintermaterial erzeugt, wobei die Schichten aufeinanderfolgend aus dem Sintermaterial aufeinander aufgetragen werden und wenigstens ein Teil der jeweiligen Schicht unter Ausbildung eines Teils des Formkörpers versintert wird. Das Verfahren beinhaltet in vorteilhafter Weise die Überwachung des Degradationszustandes des verwendeten Sintermaterials.
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Dazu wird mittels eines Sensors zur Überwachung der Degradation eines Sintermaterials an einem ersten Zeitpunkt ein erster Materialzustand des Sintermaterials erfasst und an einem zweiten, späteren Zeitpunkt ein zweiter Materialzustand des Sintermaterials. Nachfolgend erfolgt ein Vergleich des ersten und zweiten Materialzustandes. Aus diesem Vergleich kann der Degradationszustand des verwendeten Sintermaterials am zweiten Zeitpunkt bestimmt werden. Dies bietet den Vorteil, dass, sollte der zweite Materialzustand am zweiten Zeitpunkt von einem Sollzustand abweichen, das Sintermaterial bereits zum zweiten Zeitpunkt verworfen werden kann bzw. aus dem Aufnahmeraum der Vorrichtung oder aus der Vorrichtung als solches entfernt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird auf Basis des ersten und zweiten Materialzustandes am ersten bzw. zweiten Zeitpunkt ein prognostizierter dritter Materialzustand zu einem zukünftigen dritten Zeitpunkt auf Basis des ersten und zweiten Materialzustandes am ersten und zweiten Zeitpunkt bestimmt. Auch hier ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit, den prognostizierten dritten Materialzustand mit einem Materialsollzustand zu vergleichen, und, falls der dritte Materialzustand von einem Materialsollzustand insbesondere in negativer Weise abweicht, das Sintermaterial bereits vor dem dritten Zeitpunkt zu verwerfen und es aus dem Aufnahmeraum der Vorrichtung oder aus der Vorrichtung als solches zu entfernen.
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Hierbei ist von Vorteil, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterhin eine Steuereinheit umfasst, welche eingerichtet ist, das vorbeschriebene Verfahren durchzuführen. Insbesondere bietet sich in besonders vorteilhafter Weise die Möglichkeit, dass die Steuereinheit auf Methoden des Machine Learnings zurückgreift und somit selbstlernend aus mittels des mindestens einen Sensors zur Erfassung des Degradationszustandes eines Sintermaterials gewonnenen Sensordaten, die Materialzustände zu bestimmten Zeitpunkten innerhalb der Vorrichtung repräsentieren, selbstlernend zukünftige Materialzustände zu zukünftigen Zeitpunkten vorausberechnet. Dies ermöglicht es somit rechtzeitig eine Entfernung des Sintermaterials aus dem Aufnahmeraum bzw. aus der Vorrichtung selbst zu initiieren, sobald der zukünftige Materialzustand in negativer Weise von einem Materialsollzustand des Sintermaterials abweicht.
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Figurenliste
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In der Zeichnung ist eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Formkörpers gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels und
- 2 ein Fließschaubild zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Formkörpers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung 30 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Stellvorrichtung 31, welche mit einem Schlitten 32 verbunden ist, wobei dieser ausgebildet ist, den Schlitten 32 entlang einer Translationsachse 52, bzw. in diesem Ausführungsbeispiel auch quer zu der Translationsachse 52, zu bewegen. Mit dem Schlitten 32 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Laser 33 verbunden, welcher ausgebildet ist, Laserstrahlen 34 zum Versintern von unversintertem Sinterpulver zu erzeugen und die Laserstrahlen 34 auszusenden. Der Laser 33 kann die Laserstrahlen 34 beispielsweise mittels einer optischen Lenkvorrichtung, insbesondere einem Spiegel, über die Sinterpulverschicht bewegen.
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1 zeigt in diesem Ausführungsbeispiel einen von der Vorrichtung 30 teilweise erzeugten Formkörper 1'. Der Formkörper 1' ist in diesem Ausführungsbeispiel bis zu einer Schicht 15 bereits erzeugt.
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Die Vorrichtung 30 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel bspw. zwei nebeneinander angeordnete Hubkolben 42 und 43. Ein erster Hubkolben 42 ist in einem Vorratsraum 40 angeordnet und ausgebildet, in dem Vorratsraum 40 entlang einer Hubrichtung hin- und herbewegt zu werden. Mittels des ersten Hubkolbens 42 kann in dem Vorratsraum 40 angeordnetes Sinterpulver 44 aus dem Vorratsraum 40 herausgedrückt werden, von einer Walze 44 abgetragen werden und als abgetragenes Sinterpulver 44' in einzelnen Schichten in den Bereich eines zweiten Hubkolbens 43 transportiert werden. Auf dem zweiten Hubkolben 43 kann durch Versintern mittels der Laserstrahlen 34 der Formkörper 1' erzeugt werden.
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Der Formkörper 1 umfasst eine äußere Schicht 11, welche mit einer zweiten Schicht 12 verbunden ist. Auf die zweite Schicht 12 folgen weitere Schichten 13, 14, 15 und 16. Das Sintermaterial der Schichten 11 - 16 ist beispielsweise mittels Laserstrahlen versintert und so verfestigt worden.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 30 beispielweise eine Walze 41, mittels der im Hohlraum gelagertes Sintermaterial 44 in einen Aufnahmeraum 45 der Vorrichtung 30 transportiert werden kann und dort als Sintermaterial 44', 44" für die additive Fertigung zur Verfügung steht.
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Weiterhin weist die Vorrichtung 30 beispielsweise einen Sensor 50 auf, der der Erfassung eines Degradationszustandes des Sintermaterials 44, 44', 44" dient. Bei diesem kann es sich beispielsweise um einen spektralen Sensor handeln. Der Sensor 50 ist beispielsweise im Aufnahmeraum 45 positioniert, vorzugsweise in direktem physischen Kontakt mit dem sich dort befindenden Sintermaterial 44". Dabei kann der Sensor 50 im Bereich einer Wandung des Aufnahmeraums 45 vorgesehen sein oder in direktem physischen Kontakt mit dem zweiten Hubkolben 43. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensor 50 auch im Bereich des Vorratsraum 40 der Vorrichtung 30, beispielsweise an einer der Wandungen des Vorratsraums 40 oder im Bereich des ersten Hubkolbens 42 vorgesehen sein. Es ist dabei grundsätzlich möglich, auf eine Mehrzahl an Sensoren 50 im Bereich des Vorratsraums 40 bzw. des Aufnahmeraums 45 zurückzugreifen.
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Der Sensor 50 befindet sich in datenleitendem und ggf. auch energieversorgendem Kontakt mit einer Steuereinheit 60. Die Steuereinheit 60 ist so ausgeführt, dass sie Messsignale des Sensors 50 erfasst und auswertet. Weiterhin steht die Steuereinheit 60 in datenleitendem Kontakt mit einem nicht dargestellten Aktuator, der im Falle der Feststellung, dass das Sintermaterial 44, 44', 44" einen nicht ordnungsgemäßen Degradationszustand aufweist, zu einer Entfernung des Sintermaterials 44, 44', 44" aus der Vorrichtung 30 führt.
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Weiterhin kann die Steuereinheit 60 mit einer ebenfalls nicht dargestellten Anzeigevorrichtung für erfasste Messsignale des Sensors 50 oder daraus abgeleitete Kenngrößen, wie den Degradationszustand des Sintermaterials 44, 44', 44" stehen.
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Weiterhin ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mittels eines additiven Verfahrens, insbesondere eines Lasersinterverfahrens (SLS). Dabei wird ein Formkörper in aufeinanderfolgenden Schichten aus einem Sintermaterial erzeugt, wobei die Schichten aufeinanderfolgend aus dem Sintermaterial aufeinander aufgetragen werden und jeweils wenigstens einen Teil der Schicht unter Ausbildung eines Teils des Formkörpers mittels des Lasers versintert wird. Zur Überwachung des Degradationszustandes des verwendeten Sintermaterials wird dabei beispielsweise in einem ersten Schritt 70 an einem ersten Zeitpunkt ein erster Materialzustand des Sintermaterials mittels eines Sensors erfasst und ein entsprechendes Messsignal an eine die Steuereinheit übermittelt.
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Weiterhin wird beispielsweise in einem zweiten Schritt 72 an einem zweiten Zeitpunkt ein zweiter Materialzustand des Sintermaterials mittels des Sensors erfasst und ein zweites Messsignal an die Steuereinheit übermittelt. In einem weiteren Verfahrensschritt 73 führt beispielsweise die Steuereinheit einen Vergleich des Mittels des Sensors ermittelten ersten Materialzustandes zum ersten Zeitpunkt und des zweiten Materialzustandes zum zweiten Zeitpunkt durch und ordnet dem Vergleich einen Degradationszustand des Sintermaterials zum zweiten Zeitpunkt zu. Weiterhin führt die Steuereinheit einen Vergleich des ermittelten Degradationszustandes des Sintermaterials zum zweiten Zeitpunkt mit einem vorgegebenen Materialsollzustand für das Sintermaterial in einem weiteren Verfahrensschritt 74 durch und leitet in einem optionalen weiteren Schritt 75 dann, wenn der erfasste Degradationszustand in vorgegebener negativer Weise vom Materialsollzustand abweicht, eine Entfernung des Sintermaterials aus dem Vorratsraum und/oder dem Aufnahmeraum der Vorrichtung durch.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei unter einem Materialzustand die Polymerkettenlänge, der Wassergehalt oder eine Additivkonzentration des Materials verstanden, die bspw. über die Messung einer Viskositätszahl zugänglich sind.
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Dabei kann der Materialsollzustand beispielsweise als Schwellenwert einer einen entsprechenden Materialzustand kennzeichnenden Kenngröße des Sintermaterials definiert sein. Unterschreitet die Kenngröße zu einem bestimmten Zeitpunkt den durch einen Schwellenwert repräsentierten Materialsollzustand, so wird dies als negative Abweichung vom Materialsollzustand erfasst und gegebenenfalls Schritt 75 eingeleitet.
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Die Steuereinheit ist vorzugsweise weiterhin dahingehend eingerichtet, aus einer Vielzahl von erfassten, den Materialzustand des Sintermaterials repräsentierenden Materialzuständen zu mehreren Zeitpunkten ein Kennfeld zu generieren und aus den bereits erfassten Materialzuständen auf zukünftige Materialzustände zu schließen. Dies kann beispielsweise durch Methoden des sogenannte Machine Learnings erfolgen.
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So ist die Vorrichtung beispielsweise dazu eingerichtet, auf Basis des im Schritt 73 erfolgten Vergleichs des in Schritt 70 erfassten ersten Materialzustandes und des in Schritt 72 erfassten zweiten Materialzustandes in einem optionalen zusätzlichen Schritt 76 auf einen prognostizierten dritten Materialzustand an einem zukünftigen dritten Zeitpunkt durch Interpolation zu schließen. In einem weiteren optionalen Schritt 77 erfolgt dann ein Vergleich des prognostizierten dritten Materialzustandes mit dem vorgegebenen Materialsollzustand.
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Weicht der zukünftige dritte Materialzustand in negativer Weise vom Materialsollzustand ab, so kann bereits zu einem Zeitpunkt vor dem dritten Zeitpunkt ein weiterer Schritt 75 eingeleitet werden, bei dem es zu einer Entfernung des Sintermaterials aus der Vorrichtung kommt. Dies gestattet die Entfernung eines über das zulässige Maß hinaus degradierten Sintermaterials bereits zu einem Zeitpunkt, an dem der betreffende Degradationszustand noch nicht eingetreten ist. Auf diese Weise können Fertigungsdefekte durch übermäßig degradiertes Sintermaterial im Rahmen der additiven Fertigung bereits im Vorfeld ihres Eintretens vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2016185048 [0004]
- US 2017246810 [0004]
- US 2016067779 [0004]
- US 2019022946 [0004]
