Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für den lagenweisen, additiven, dreidimensionalen Materialaufbau für die Herstellung von Bauteilen aus Metall, Kunststoff und/oder Mischformen mit einem Druckkopf.

Mit einem solchen auch als 3D -Druckverfahren bezeichneten Verfahren lassen sich Bauteile aus unterschiedlichen Materialien herstellen. Der 3D -Druck ist ein generatives

beziehungsweise additives Fertigungsverfahren. Die wichtigsten Techniken des 3D - Druckens sind das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen für Metalle und das selektive Lasersintern für Polymere, Keramik und Metalle, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für flüssige Kunstharze und das Polyjet-Modeling.

Beim 3D -Drucken werden beispielsweise dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufgebaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D -Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle.

Ein weiteres aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahren ist das sogenannte "fused deposition modeling" (FDM), bei dem ein Filament aus dem Ausgangsmaterial in einer elektrisch beheizten Extruderdüse aufgeschmolzen und schichtweise auf eine Plattform aufgebracht wird.

Anstelle eines Filaments kann entsprechend der US 2016/082 627 A1 ein Ausgangsmaterial in Granulatform mit einer Förderschnecke einer beheizten Zone zugeführt werden, aus der es in plastifizierter Form austritt. Dabei können Mischungen aus verschiedenen

thermoplastischen Materialien hergestellt werden. Beim "Wire Are Additive Manufacturing" (WAAM) wird ein Lichtbogenschweißverfahren zum schichtweisen Aufbau des Bauteils eingesetzt. Ein Metalldraht wird mithilfe eines

Schweißbrenners an der richtigen Stelle verschmolzen und formt so das gewünschte Rohteil. Das fertig aufgebaute Bauteil wird anschließend durch CNC-Verfahren nachbearbeitet.

Weiterhin wird beispielsweise in der EP 0 431 924 B1 ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte beschrieben. Dabei werden lose Partikel in einer dünnen Schicht auf eine Aufbau plattform aufgetragen. Die losen Partikel werden gemäß einem

vorgegebenen Programm selektiv verfestigt.

Ein 3D -Druckverfahren zur Herstellung von Formen zur Herstellung von Gussteilen aus Metall ist beispielsweise aus der WO 2016/019937 A1 bekannt.

Additive Verfahren bieten im Hinblick auf Fertigungszeiten und minimale Losgrößen erhebliche Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Durch das lagenweise

Aufbauen einer Struktur auf einer Basisplatte lassen sich Kunststoffbauteile ebenso wie Metallgeometrien herstellen. Infolge eines großen öffentlichen Interesses treten immer mehr Verfahren in den Wettbewerb. Feingliedrige Strukturen in kleinen Baugrößen bis

300 ^* 300 ^* 300mm ³ werden vorzugsweise in Laser gestützten Sinterprozessen (Selektives Laser Schmelzen SLS oder Selektives Laser Schmelzen SLM) in Pulverbetten erzeugt;

einem sehr präzisen Verfahren mit hoher Teilequalität aber hohen Herstellkosten.

Größere Bauteile werden abweichend von dieser Technologie zumeist mit aufschmelzenden Drähten/Filamenten per thermischem Auftragsprozess als Fused Deposition Modelling (FDM, nur Kunststoffe, zum Teil mit Metallpulveranteil) oder Laser-/Lichtbogen- Auftragsschweißprozess (Laser: LA/ Lichtbogen: Wire Are Additive Manufacturing WAAM- nur Metalle) hergestellt.

Bei allen drei Verfahren ist es sinnvoll bei der Verarbeitung empfindlicher Werkstoffe und zur Vermeidung von Verzügen und Bindefehlern sowie dem Erzielen erwünschter mechanisch technologischer Eigenschaften den Arbeitsraum zu beheizen oder zu kühlen. Meist ist die Anforderung„Heizen" gegeben. Hierbei können Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius vorteilhaft sein.

Bei der„normalen" lagenweisen Aufbaustrategie wird eine Aufbaufolge ausgeführt, bei der die Strategie„kürzester Weg" oder„schnellste Aufbaurate" verfolgt wird. Dies kann dazu führen, dass insbesondere bei metallischen Aufbau prozessen mit einem Lichtbogen oder einem Laserstrahl eine ungünstige Temperaturverteilung im Bauteil vorliegt, die zu lokalen Spannungen, Deformationen und Abkühlzyklen führen können, die zu ungünstigen

Gefügestrukturen sowie zu fehlerhaften Geometrien führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem unerwünschte Geometrieabweichungen weitgehend vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß dient ein Wechselsystem für den Wechsel des additiven

Herstellungsverfahrens durch den Wechsel des Druckkopfes und/oder anderer für die Durchführung des Herstellverfahrens hilfreicher Sensoren, insbesondere für die Messung von Geometriedaten des in der Herstellung befindlichen Bauteils, lokaler Temperaturen und/oder sonstiger Parameter sowie für die Nutzbarmachung von spanenden

Bearbeitungsgeräten zur mechanischen Bearbeitung während oder nach dem

Aufbauprozess des Materialaufbaus. Die Erfindung nimmt dieses Problem zum Anlass durch die lagenweise Vermessung der örtlichen Bauteiltemperaturen sowie der lokalen

Geometrieabweichungen Korrekturen an der Geometrie und dem Prozess, hier speziell der Aufbaustrategie vorzunehmen.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in

Fig. 1 einen schematischen Maschinenaufbau; Fig. 2 das Prinzip eines lagenweisen Aufbaus; Fig. 3 ein Magazin;

Fig. 4 einen Verfahrensablauf der beiden Korrekturstrategien; Fig. 5 eine Aufbaufolge-Strategie;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Druckkopfs FDM; Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Druckkopfs WAAM.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden nachstehend anhand der Figuren 1 bis 7 näher erläutert.

Das Verfahren dient der Herstellung von Bauteilen, die mittels einer Vorrichtung (Fig. 1 ) mit einem Bewegungssystem (1 ) lagenweise (Fig. 2) aufgebaut werden. Mindestens eine thermische Quelle, die durch einen Generator (12) gespeist wird, der die für den Prozess erforderliche Prozessenergie bereitstellt (Schweißstromquelle, Laser, Extruderversorgung), hier als Druckkopf (1 ) bezeichnet, erwärmt dabei mindestens einen oder mehrere

Drähte/Filamente (13) aus Metall oder Kunststoff, die dann plastifiziert oder schmelzflüssig lagenweise auf einer Aufbauplatte (3) übereinander abgelegt werden. Die Summe der Lagen ergibt dann ein Bauteil (4).

Unterschiedliche Druckköpfe (Fig. 6 und 7) und andere Werkzeuge können dabei über ein Wechselsystem (8) an dem Bewegungssystem (1 ) befestigt werden und führen dann das entsprechende Verfahren, entweder FDM, LA, WAAM oder die Operationen Fräsen, Bohren, Schleifen oder Geometrie- bzw. Temperaturmessung aus.

Nach jeder x-ten Lage (wobei x eine Wert zwischen 1 und Unendlich annehmen kann) erfolgt eine Erfassung der Geometrie am Bauteil (4). Nach der Geometrievermessung mit einem mitfahrenden oder ortsfesten Geometriemesssensor (10) wird mittels eines

Computeralgorithmus ein Vergleich zu den geplanten und in einem CAD-Model hinterlegten Sollgeometriedaten gezogen.

Sollte die Differenz von Soll-Daten zu Ist-Daten (Messwerte) aus der Messung größer, als die festgelegten Maßabweichungen/Toleranzen für den Prozess sein, erfolgt als nächstes die Abfrage nach dem Vorzeichen der Differenz (Fig.4). Ist dieses negativ, befindet sich zu viel Material auf Teilen der letzten Lage und es erfolgt lokal eine subtraktive Korrektur durch Schleifen, Bohren oder Fräsen um die ungewollten Materialanhäufungen zu korrigieren. Sollte die Differenzbildung Sollwert abzüglich Istwert (von Höhe und Breite) zum Ergebnis haben, dass die Differenz ein positives Vorzeichen aufweist, bedeutet dies, dass an den entsprechenden Stellen Material fehlt. Sollte dies festgestellt werden, wird ein, lokaler Materialauftrag ausgeführt. Anschließend erfolgt eine erneute Überprüfung des Ergebnisses durch erneutes Messen und Durchlauf des Entscheidungsalgorithmus und einem weiteren Korrekturdurchlauf. Dies wiederholt sich, bis die Geometriemessung Istwerte misst, die innerhalb der erlaubten Maßabweichungen/Toleranzen liegen. Ist dieser Zustand erreicht, erfolgt die ortsaufgelöste Messung der Bauteiltemperaturen an seiner Oberfläche in vorher bestimmten Sektoren.

Anhand der gemessenen Temperaturverteilung der mittleren Temperaturen (Fig. 5) in den Sektoren erfolgt eine Neuberechnung der Aufbaustrategie dahingehend, dass für die folgende Lage die Nahtfolge so geplant wird, dass zunächst die Bereiche aufgeschweißt werden, bei denen minimale Temperaturen zum Zeitpunkt der Temperaturerfassung vorherrschten. Es kommt dabei das Kriterium der„Aufbaureihenfolge nach aufsteigenden Temperaturen der gemessenen Bauteiloberfläche" zum Tragen und mittels eines

Algorithmus wird die Nahtfolge der nächsten Lage automatisch so berechnet, dass in den kältesten Bereichen der Bauteiloberfläche in der Reihenfolge ansteigender Temperaturen aufgetragen wird (Fiq.4).

Um die Verfahrwege zu optimieren kann die Bauteiloberfläche in Sektoren aufgeteilt werden (Fig.5). Dann werden in den Sektoren die mittleren Oberflächentemperaturen in den

Sektoren mit einem Sensor (6) für die Temperaturmessung gemessen (z. b. mit einer Thermokamera oder mit einem Pyrometer) und nach aufsteigendem Wert sortiert. Der kälteste Sektor wird dann zuerst aufgebaut, dann der zweit kälteste und so weiter. Innerhalb der Sektoren kann eine wegoptimierte Strategie angewendet werden. Die Sektorgröße kann dabei frei gewählt werden. Je größer der Sektor, desto schneller erfolgt der Aufbau, allerdings wird das Bauteil auch ungenauer. Je kleiner der Sektor, desto genauer wird das Bauteil, desto langsamer erfolgt allerdings auch der Aufbau. Zusätzlich kann lokal durch eine Tischheizung/-kühlung unter der Aufbauplatte (3) und Heiz- oder Kühlelemente 16, beispielsweise durch Wärmequellen (z. B. IR-Strahler, Heißluftgebläse, Gasbrenner oder anderes) und Kühlsysteme (z. B. Gas- und Flüssigkeitsdüsen, Gebläse und anders) am Druckkopf (2) Einfluss auf die lokalen Temperaturen am Bauteil (4) genommen werden.

Es erfolgt ein weiterer lagenweiser Aufbau, bis zu der als nächste Überprüfungslage definierten Lage, bei der sich das Prozedere wiederholt und zunächst die Ist-Geometrie mit der Soll-Geometrie abgeglichen wird und gegebenenfalls per Fräsen/Schleifen oder lokalem Aufbauen korrigiert wird, bis eine zulässige Genauigkeit der Bauteilmaße erreicht ist. Danach erfolgt wieder eine Bestimmung des Temperaturfeldes an der Oberfläche des Bauteils (4) und die Anpassung der Temperaturführung durch die Festlegung der Nahtfolge als Funktion der Zeit und des Ortes sowie den Einsatz von zusätzlichen Wärme- oder Kältequellen zur Optimierung des Aufbauprozesses. Es kann auch sinnvoll sein nicht bei jeder Überprüfungslage die Geometrie zu messen, auszuwerten und zu korrigieren sondern nur die Temperaturmessung mit anschließender Neufestlegung der Aufbaufolge durchzuführen. Beide Messungen und daraus resultierenden Messungen (Geometrie und Temperatur) können auch völlig unabhängig ausgeführt werden.

Grundsätzlich sind die drei angewendeten Verfahren LA, WAAM, FDM in ihrem

Grundaufbauprinzip gleich: Auf einer Aufbauplatte (3) wird lagenweise Material aufgebaut. Durch das Abschmelzen des drahtförmigen Werkstoffes in Folge einer Erwärmung durch eine geeignete Wärmequelle entsteht hierdurch eine dreidimensionale geometrische

Struktur. Hieraus leiten sich die grundlegenden konstruktiven Merkmale der Vorrichtung ab:

1 . Rahmen mit Bewegungssystem (1 ), das zumindest drei aufeinander senkrecht

stehende Freiheitsgrade erlaubt.

2. Das Bewegungssystem (1 ) kann dabei als kartesisches xyz-System, als

Knickarmroboter, als Hexa- oder Tetrapode oder als gänzlich anderes System ausgestaltet sein, solange es eine lagenweise Aufbaustrategie ermöglicht.

Zusatzachsen sind optional möglich.

3. Ein Wechselsystem (8) am Bewegungssystem (1 ) mit einem Magazin (7) an der Grundstruktur zur Aufnahme des jeweiligen 3D-Druckkopfes (2) für das FDM-, WAAM- oder LA-Verfahren sowie Systeme für die Prozesse Bohren, Schleifen, Fräsen, Messen von Temperatur und Geometrie..

4. Ein Aufbauplatten-Wechselsystem (8), dass eine schnelle Umstellung von einem

Bauteil (4) zum Anderen sowie einen Verfahrenswechsel zulässt.

5. Heiz- und Kühlsysteme (Heiz-oder Kühlelement 16) zur Bauteiltemperierung fest am Wechselsystem (8) und der Aufbauplatte (3).

6. Ein fest montiertes und damit mitgehendes Thermoschild (1 1 ) zwischen Roboter und Wechselsystem (8), ausgestattet mit einem Lüfter, der parallel zum Thermoschild

(1 1 ) einen Frischluftstrom zur Schaffung einer Sperrschicht aus kalter Luft unterhalb des Thermoschildes (1 1 ) schafft.

7. Eine ebene oder der Bauteilunterfläche angepasste Aufbauplatte (3) mit der

Möglichkeit diese zu wärmen oder zu kühlen.

8. Ein oder mehrere Sensoren (6) zur Erfassung der Wärmeverteilung sowie der

Temperaturen des herzustellenden Bauteils bspw. als Thermokamera oder

Pyrometer

9. Ein oder mehrere Sensoren (10) zur Erfassung der Bauteilgeometrie

10. Steuerung (5)

1 1. Schutzgehäuse um den Rahmen

12. Abluft und Zuluftsysteme Der Wechsel von einem Verfahren zum anderen setzt eine andere Prozesstechnik in Form der Druckköpfe (2, 17, 19) und der Fräs-, Bohr und Schleifgeräte (9) voraus. Diese Systeme sind jeweils mit einem als Adapter ausgeführten Befestigungselement (14) ausgestattet, das eine einfache Befestigung am Wechselsystem (8) des Bewegungssystems (1 ) erlaubt.

Die jeweilige für die Herstellung eines spezifischen Bauteils (4) benötigte Prozesstechnik wird auf der wechselbaren Aufbauplatte (3) in einem Magazin (7) bereitgestellt und ist damit sehr schnell wechselbar. Dies betrifft alle für den Aufbau notwendigen Einrichtungen.

Die Vorrichtung verfügt über verfahrensspezifische Drückköpfe (2, 17, 19) mit

Befestigungselementen (14) für das Wechselsystem (8) für die Verfahren:

1. Fused Deposition Modelling FDM - Extruder (18) für das Aufschmelzen von

Kunststoffdraht (Filament) mit einem FDM-Druckkopf (17)

2. Wire and Are Additive Manufacturing WAAM- Lichtbogengestütztes

Auftragsschweißen mit Metalldraht mit einem WAAM-Druckkopf (19)

3. Laser Auftragsschweißen - Lasergestütztes Auftragsschweißen mit Metalldraht sowie für die Prozesse:

4. Bohren, Fräsen und Schleifen (9)

5. Optional Geometriemessung (10)

6. Optional Temperaturmessung

Die Energiequellen für die drei Verfahren sind gänzlich verschieden und werden neben dem Rahmen aufgestellt, beispielsweise ein Generator (12).

Die Versorgungsleitungen von den Energiequellen zum Wechselsystem (8) sind am

Bewegungssystem (1 ) fest adaptiert. Ein Universalstecker erlaubt die automatische

Verbindung der Druckköpfe (2) mit den Versorgungsleitungen.

Für die Erfassung der Bauteilgeometrie können verschiedene Sensoren (10) eingesetzt werden: entweder global - feststehend oder lokal - z. B. als mitfahrende Messsensoren (10). Gleiches gilt für die Thermosensoren (6). Besonders effizient und hinreichend genau haben sich hier Thermokameras erwiesen, mit denen mit einer einzigen Messung eine

ortsaufgelöste Erfassung der Oberflächentemperaturen möglich ist. Diese können dann mittels einer Auswertesoftware aufbereitet und dem Algorithmus zur Festlegung der Nahtfolge zugeführt werden, so dass eine Temperatur optimierte Nahtführung ermöglicht wird, um unnötige Temperaturunterschiede im Bauteil (4) zu verhindern. Je nach gewähltem Verfahren wird der entsprechende Druckkopf (2, 17, 19) bestehend aus Prozesskopf - Metall-Schutzgas-Brenner für WAAM (19), Laserkopf mit Drahtzufuhr für LA oder Extruder mit Filamentdüse für FDM (17) - und Halter mit Wechselsystem/-Kupplung mit dem Befestigungselement (14) vom Bewegungssystem (1 ) aus dem Magazin (7)

selbstständig entnommen und gemäß dem von der Steuerung (5) vorgegebenen

Verfahrensablauf (Fig. 4) zum Aufbau eines Bauteils (4) eingesetzt.

BEZUGSZEICHENLISTE Bewegungssystem 16 Heiz- oder Kuhlelement Druckkopf 17 FDM-Druckkopf

Aufbau platte 18 FDM-Extruder

Bauteil 19 WAAM-Druckkopf

₂₀ WAAM-Metall-Schutzgas- Steuerung

Schweißbrenner Sensor

Magazin

Wechselsystem

Fräser, Bohrer, Schleifer

Sensor Thermoschild

Generator

Draht / Filament

Befestigungselement

Draht- oder Filamentrolle