Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein computerbasiertes Verfahren zur Reduktion der Datenmenge einer Datei zur Steuerung einer additiven Fertigung eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Fertigung des Bauteils unter Einsatz des Verfahrens zur Reduktion der Daten sowie eine Vorrichtung zur Fertigung des Bauteils unter Einsatz eines solchen Verfahrens.

Es ist bekannt, Bauteile additiv zu fertigen. Da die gefertigten Bauteile immer größer und komplexer werden, werden Dateien zur Steuerung der Fertigung immer größer. Sie können einige Gigabyte umfassen, wodurch viel Speicherplatz benötigt wird und die Übertragung der Daten viel Zeit in Anspruch nimmt.

Aus der US 10,748,306 B2 ist ein Verfahren für 3D-Drucker bekannt geworden, bei dem dreidimensionale Pixelstrukturen (Voxel) interpretiert werden.

Die US 2015/0158252 Al offenbart einen Katalog dreidimensionaler Modelle für einen 3D-Drucker.

Aus der US 2017/0347122 Al ist ein Verfahren zur Kompression und Dekompression von 3D-Daten bekannt geworden.

Die US 2020/0058138 Al offenbart ein Verfahren zur Vorhersage von Steuerungsinformationen aus mehreren Voxel. Ein Fehler der Steuerungsinformationen wird durch einen Vergleich der Vorhersagen ermittelt.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, die Datenmenge einer Datei zur additiven Fertigung signifikant, aber ohne Informationsverlust zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren gemäß Anspruch 1 und 10 sowie einer Vorrichtung gemäß Anspruch 13. Die abhängigen Ansprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.

Die Aufgabe wird somit gelöst durch ein von einem Computer durchgeführtes Verfahren zur Reduktion der Datenmenge einer Datei. Die Datei dient der Steuerung einer additiven Fertigung eines Bauteils, bei der ein Werkzeug entlang von Fertigungskoordinaten geführt wird. Im Verfahren wird zunächst ein zu fertigender erster Bereich identifiziert bzw. bestimmt. Anschließend wird in einem Verfahrensteil I) die Information zur Füllung dieses ersten Bereichs kompakt gespeichert. Dabei werden zumindest ein Vektor zur Charakterisierung des Umrisses des ersten Bereichs und ein Algorithmus zur Berechnung der Fertigungskoordinaten innerhalb dieses Umrisses gespeichert, wobei in der Datei der Algorithmus oder ein Verweis auf einen in einer Bibliothek gespeicherten Algorithmus gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich dazu wird in einem Verfahrensteil II) ein zu fertigender zweiter Bereich identifiziert, der gleich dem ersten Bereich, aber versetzt zum ersten Bereich gefertigt werden soll. Dabei wird die Position des zweiten Bereichs in der Datei gespeichert und die Information, dass der zweite Bereich gleich dem ersten Bereich zu fertigen ist.

Unter einem „Vektor" wird dabei erfindungsgemäß ein Umrisssegment, insbesondere in Form eines Liniensegments oder Kurvensegments, verstanden. Das Umrisssegment ist vorzugsweise durch einen Startpunkt, einen Endpunkt, und gegebenenfalls durch eine Krümmung, definiert. Mehrere Vektoren können komplexere Gebilde wie Polygone, Splines und Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS) definieren. Der Algorithmus kann eine Parametrisierung (beispielsweise Anzahl Linien und/oder Informationen zur uni- bzw. bi-direktionale Belichtung) beinhalten.

Die Verfahrensteile I) und II) können eigenständige Aspekte der Erfindung darstellen, die beliebig mit weiteren hier beschriebenen Merkmalen kombinierbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ein verlustfreies kompaktes Speichern aller Informationen zur Berechnung der Fertigungskoordinaten. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt den Umstand, dass wiederkehrende Füllmethoden und/oder wiederkehrende Bereiche nur einmal abgespeichert werden müssen. Die wiederkehrende Füllmethode/Struktur kann dann an beliebigen Positionen aufgerufen werden, sodass signifikant Speicherplatz eingespart werden kann. Mit anderen Worten besteht der gemeinsame erfinderische Gedanke darin, eine Anweisung für sich wiederholende Strukturen zu speichern (in Form eines Algorithmus zur Füllung eines Bereichs und/oder der Information, ganze Bereiche gleich auszubilden) anstatt alle Koordinaten der sich wiederholenden Struktur zu speichern und dadurch Speicherplatz einzusparen.

Der Umriss der Füllung des ersten Bereichs kann durch mehrere Vektoren charakterisiert sein.

Der erste Bereich kann zweidimensional sein, sodass der Vektor bzw. die Vektoren in einer Ebene liegt/liegen. Da in der additiven Fertigung das zu fertigende Bauteil häufig schichtweise aufgebaut wird, ist die Wahl eines zweidimensionalen Bereichs besonders vorteilhaft.

Die zu fertigende Schicht des Bauteils kann zur Bestimmung des ersten Bereichs in mehrere, insbesondere gleiche, Bereiche aufgeteilt werden, wobei einer dieser Bereiche der erste Bereich ist. Ein weiterer dieser Bereiche kann der zweite Bereich sein.

Das Verfahren wird weiter vereinfacht, wenn der Umriss des ersten Bereichs trapezförmig, insbesondere rechteckig, ist. Die Füllung des ersten Bereichs, und insbesondere auch des zweiten Bereichs, erfolgt vorzugsweise durch mäanderförmige Führung des Werkzeugs. Zwischen zwei Linien der Mäanderform kann eine Unterbrechung der Bearbeitung durch das Werkzeug bzw. ein Absetzen des Werkzeugs erfolgen. Das Werkzeug kann in parallelen Linien der Mäanderform immer in dieselbe Richtung bearbeitend eingesetzt werden oder auch gegenläufig bearbeitend eingesetzt werden.

Der zweite Bereich kann bis auf seine Position und eine Verdrehung, insbesondere um ±5°, vorzugsweise ±3°, besonders bevorzugt ±2°, identisch zum ersten Bereich gefertigt werden. Hierdurch kann eine Anpassung zu einem Grundkörper erfolgen, auf dem das Bauteil additiv gefertigt wird. Die Verdrehung kann dabei erforderlich sein, da die Installation des Grundkörpers in einigen Fällen nur innerhalb einer gewissen Toleranz genau erfolgen kann.

Vorzugsweise wird - zur weiteren Vereinfachung des Verfahrens - der zweite Bereich bis auf seine Position identisch zum ersten Bereich gefertigt.

Es versteht sich, dass zusätzlich zu dem zweiten Bereich zumindest ein weiterer Bereich, insbesondere mehrere weitere Bereiche, gleich dem ersten Bereich gefertigt werden kann/können. Je mehr Bereiche gleich gefertigt werden, umso stärker kann die Datei komprimiert werden.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur additiven Fertigung des Bauteils, bei dem zunächst das zuvor beschriebene Verfahren durchgeführt wird, danach auf die gespeicherte Datei zugegriffen wird, danach die Fertigungskoordinaten des ersten Bereichs bzw. zweiten Bereichs berechnet werden und danach das Werkzeug anhand der Fertigungskoordinaten geführt wird.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens liegt das Werkzeug in Form eines Laserstrahls vor. Der Laserstrahl kann durch eine Ablenkeinrichtung geführt werden, die durch eine Steuerung gesteuert wird. Weiter bevorzugt erfolgt die Fertigung durch Pulverbett-basiertes Laserschmelzen (Laser Metal Fusion, LMF).

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird schließlich gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines zuvor beschriebenen Verfahrens, wobei die Vorrichtung einen Computer zur Reduktion der Datenmenge, das Werkzeug, eine Steuerung und einen Speicher aufweist, in dem die Datei gespeichert ist.

Die Steuerung ist dabei dazu ausgebildet, die reduzierten Daten der Datei auszulesen und entsprechende Anweisungen für die Führung des Werkzeugs zu generieren.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Fig. 1 zeigt schematisch ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Schicht des Bauteils aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Bereich der Schicht aus Fig. 2 und eine Mäanderform zur Führung eines Werkzeugs zur Füllung des Bereichs.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 und ein Verfahren 12 zur additiven Fertigung eines Bauteils 14 mit einem Werkzeug 16. Das Werkzeug 16 liegt in Form eines Laserstrahls vor, der eine Schicht 18, hier in Form einer Pulverbettschicht, zumindest teilweise bestrahlt. Der Laserstrahl wird in einer Strahlquelle 20 erzeugt und von einer Ablenkeinrichtung 22 geführt. Die Kontrolle der Ablenkeinrichtung 22 erfolgt durch eine Steuerung 24, die hierzu auf eine Datei 26 in einem Computer 27 bzw. einem Speicher 28 zurückgreift. Die Datei 26 kann Fertigungskoordinaten zur Führung des Werkzeugs 16 enthalten. Alternativ oder zusätzlich dazu enthält die Datei 26 Fertigungsparameter, die weniger Speicherplatz benötigen und durch die Steuerung 24 zu Fertigungskoordinaten interpretiert werden. Mit anderen Worten ist die Steuerung 24 dazu ausgebildet, anhand der in der Datei 26 enthaltenen Fertigungsparameter Fertigungskoordinaten zur Führung des Werkzeugs 16 zu berechnen. Dabei kann die Steuerung 24 vorzugsweise mit einer Bibliothek 30 verbunden sein, in der zumindest ein Algorithmus 32 zur Berechnung der Fertigungskoordinaten anhand der Fertigungsparameter hinterlegt ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der zumindest eine Algorithmus 32 direkt in der Datei 26 gespeichert sein.

Fig. 2 zeigt ein Verfahren 34 zur Reduktion der Datenmenge der Datei 26 (siehe Fig. 1). Dabei wird im Computer 27 (siehe Fig. 1) über die Schicht 18 bzw. das zu produzierende virtuelle Bauteil 14 ein Raster 36 gelegt, sodass das Bauteil 14 in mehrere Bereiche aufgeteilt wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in Fig. 2 lediglich ein erster Bereich 38a, ein zweiter Bereich 38b und ein dritter Bereich 38c mit einem Bezugszeichen versehen.

Die Bereiche 38a, b sind - bis auf ihre Position - gleich. In dem Verfahren 34 können daher Informationen zur Fertigung des ersten Bereichs 38a in der Datei 26 (siehe Fig. 1) hinterlegt werden und weiterhin die Position des zweiten Bereichs 38b hinterlegt sein sowie die Information, dass der zweite Bereich 38b - bis auf seine Position - gleich, insbesondere identisch, zum ersten Bereich 38a ausgebildet wird. Hierdurch müssen nicht alle Fertigungskoordinaten zur Fertigung des zweiten Bereichs 38b in der Datei 26 (siehe Fig. 1) gespeichert werden, wodurch Speicherplatz eingespart wird.

Fig. 3 zeigt den ersten Bereich 38a. Aus Fig. 3 ist die mäanderförmige Bahn des Werkzeugs 16 in Form eines Laserstrahls zur Füllung des ersten Bereichs 38a ersichtlich. Dabei werden die parallelen durchgezogen dargestellten Linien (Mark- Linien „M") belichtet und der Laserstrahl an den gestrichelt dargestellten Verbindungen dieser Linien vorzugsweise abgeschaltet bzw. geblankt oder die Laserleistung zumindest so weit reduziert, dass das Pulvermaterial nicht aufgeschmolzen wird (Jump „J"). Anstatt alle Fertigungskoordinaten des Mäanders in der Datei 26 (siehe Fig. 1) abzuspeichern, kann in der Datei 26 zumindest ein Vektor 40a, 40b abgespeichert werden, der/die den Umriss der Füllung charakterisiert. Zusammen mit dem Algorithmus 32 (siehe Fig. 1) zum Füllen dieses Umrisses können so auf speicherplatzsparende Art und Weise alle Informationen zum Füllen des ersten Bereichs 38a bereitgestellt werden. Im vorliegenden Fall, in dem der erste Bereich 38a rechteckig ausgebildet ist, würde auch einer der Vektoren 40a, b ausreichen, um, zusammen mit einem Algorithmus 32 (siehe Fig. 1), der die Länge der Linien M definiert, alle Informationen zur Füllung des ersten Bereichs 38a zu definieren.

Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend ein Verfahren 34 zur Komprimierung der Datenmenge einer Datei 26 zur Führung eines Werkzeugs 16 entlang von Fertigungskoordinaten zur additiven Fertigung eines Bauteils 14, in einem Computer 27. Dabei wird zumindest ein Vektor 40a, b bestimmt und in der Datei 26 gespeichert, der zusammen mit einem Algorithmus 32 Fertigungsparameter zur Füllung eines ersten Bereichs 38a des Bauteils 14 definiert. Der Algorithmus 32 kann dabei in der Datei 26 gespeichert oder in einer Bibliothek 30 hinterlegt und in der Datei 26 auf den Algorithmus 32 verwiesen werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein zu füllender zweiter Bereich 38b des Bauteils 14 dadurch in der Datei 26 definiert werden, dass in der Datei 26 ein erster Bereich 38a definiert ist und in der Datei 26 gespeichert ist, wo der zweite Bereich 38b ausgebildet werden soll und dass er gleich dem ersten Bereich 38a ausgebildet werden soll. Zusätzlich zu einem zweiten Bereich 38b kann dieses Verfahren 34 für beliebig viele weitere Bereiche fortgesetzt werden. In einem erfindungsgemäßen Verfahren 12 zur Fertigung des Bauteils 14 werden die Fertigungsparameter zu Fertigungskoordinaten zurückberechnet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung 10 zur Ausführung des Verfahrens 12 zur Fertigung des Bauteils 14.

10 Vorrichtung zur Fertigung des Bauteils 14

12 Verfahren zur Fertigung des Bauteils 14

14 Bauteil

16 Werkzeug

18 Schicht

20 Strahlquelle

22 Ablenkeinrichtung

24 Steuerung

26 Datei

27 Computer

28 Speicher

30 Bibliothek

32 Algorithmus

34 Verfahren zur Reduktion der Datenmenge der Datei 26

36 Raster

38a-c Bereich

40a, b Vektor