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DE102017005426A1 - Maschine und Verfahren für die additive und subtraktive Fertigung in einer Aufspannung - Google Patents

Maschine und Verfahren für die additive und subtraktive Fertigung in einer Aufspannung Download PDF

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DE102017005426A1
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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Maschine und ein Verfahren, in der unterschiedliche additive Verfahren wie das Fused Deposition Modeling FDM, das Wire and Arc Additive Manufacturing WAAM sowie das Laser Auftragsschweißen LA sowie subtraktive spanende Prozesse, wie das Fräsen, Bohren und Schleifen in einer Aufspannung. Die Maschine ist dabei so ausgeführt, dass ein Wechselsystem am Bewegungssystem ein schnelles Wechseln von Verfahrensspezifischen Druckköpfen (bspw. einem Schweißbrenner beim WAAM) und weiteren Systemen für weitere, bei der Herstellung des Bauteils notwendigen Prozesse wie Messsensoren, die durch das Bewegungssystem über das Bauteil geführt werden oder die spanenden Geräte. Das Verfahren sieht bei der Herstellung der Bauteile nach jeder x-ten Lage (x kann jeden ganzzahlige Wert zwischen 1 und Unendlich annehmen) eine Messung der ortsaufgelösten Oberflächentemperaturen mittels eines Temperatursensors in festgelegten Bauteilsektoren vor, deren sektorbezogene Mittelwerte zur Festlegung der weiteren Aufbaureihenfolge zur Hilfe genommen werden. Ein Agorithmus sortiert die Sektoren nach aufsteigenden Temperaturmittelwerten. Beginnend mit dem Sektor der geringsten mittleren Temperatur werden nach aufsteigender Temperatur die einzelnen Sektoren je Lage aufgebaut. Der Ablauf kann nach jeder beliebigen Lage wiederholt werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit ebenfalls in der abgeschlossenen Lage die Nahtgeometriemaße wie Höhe und Breite zu messen und mit einem Sollwert zu vergleichen und ggf. mittels spanender Bearbeitung oder lokalem Aufbau zu korrigieren.

Description

  • Additive Verfahren bieten im Hinblick auf Fertigungszeiten und minimaler 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*300mm3 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 and Arc Additive Manufactureing WAAM- nur Metalle). 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 Aufbauprozessen 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. 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.
  • Erfindung
  • Maschine und Verfahren für die additive und subtraktive Fertigung in einer Aufspannung
  • Verfahren
  • Das Verfahren dient der Herstellung von Bauteilen, die mittels einer Maschine (1) mit einem Bewegungssystem (1) lagenweise (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 der Aufbauplatte (3) übereinander abgelegt werden. Die Summe der Lagen ergibt dann das Bauteil (4). Unterschiedliche Druckköpfe (6 und 7) und andere Werkzeuge können dabei über ein Wechselsystem (12) an dem Bewegungssystem 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. 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 Solldaten zu Istdaten (Messwerte) aus der Messung größer, als die festgelegten Maßabweichungen/Toleranzen für den Prozess sein, erfolgt als nächstes die Abfrage nach dem Vorzeichen der Differenz (4). Ist dieses negativ, befindet sich zuviel 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 Vorzeichenaufweist, 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 (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 (4). Um die Verfahrwege zu optimieren kann die Bauteiloberfläche in Sektoren aufgeteilt werden (5). Dann werden in den Sektoren die mittleren Oberflächentemperaturen in den Sektoren gemessen (z. b. mit einer Thermokamera oder mit einem Pyrometer 6) 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 durch Wärmequellen (z. B. IR-Strahler, Heißluftgebläse, Gasbrenner oder anderes 16) und Kühlsysteme (z. B. Gas- und Flüssigkeitsdüsen, Gebläse und anders 16) am Druckkopf Einfluss auf die lokalen Temperaturen am Bauteil genommen werden.
  • Es erfolgt ein weiterer lagenweise 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 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.
  • Maschine
  • Grundsätzlich sind die drei angewendeten Verfahren LA, WAAM, FDM in ihrem Grundaufbauprinzip gleich: Auf einer Aufbauplatte 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 Maschine ab:
    1. 1. Rahmen mit Bewegungssystem, das zumindest drei aufeinander senkrecht stehende Freiheitsgrade erlaubt (1).
    2. 2. Das Bewegungssystem 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 (1).
    3. 3. Ein Wechselsystem (8) am Bewegungssystem 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. 4. Ein Aufbauplatten-Wechselsystem (8), dass eine schnelle Umstellung von einem Bauteil zum Anderen sowie einen Verfahrenswechsel zulässt.
    5. 5. Heiz- und Kühlsysteme zur Bauteiltemperierung fest am Wechselsystem (8) und der Aufbauplatte (3).
    6. 6. Ein fest montiertes und damit mitgehendes Thermoschild (11)zwischen Roboter und Wechselsystem, ausgestattet mit einem Lüfter, der parallel zum Thermoschild einen Frischluftstrom zur Schaffung einer Sperrschicht aus kalter Luft unterhalb des Thermoschildes schafft.
    7. 7. Eine ebene oder der Bauteilunterfläche angepasste Aufbauplatte (3) mit der Möglichkeit diese zu wärmen oder zu kühlen.
    8. 8. Ein oder mehrere Sensoren (6) zur Erfassung der Wärmeverteilung sowie der Temperaturen des herzustellenden Bauteils bspw. als Thermokamera oder Pyrometer
    9. 9. Ein oder mehrere Sensoren zur Erfassung der Bauteilgeometrie (10)
    10. 10. Steuerung (5)
    11. 11. Schutzgehäuse um den Rahmen
    12. 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 Adapter (14) ausgestattet, der eine einfache Befestigung am Wechselsystem des Bewegungssystems erlaubt. Die jeweilig für die Herstellung eines spezifischen Bauteils 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 Maschine verfügt über verfahrensspezifische Drückköpfe (2) mit Befestigungselementen (14) für das Wechselsystem für die Verfahren:
    1. 1. Fused Deposition Modelling FDM - Extruder für das Aufschmelzen von Kunststoffdraht (Filament) (17)
    2. 2. Wire and Arc Additive Manufacturing WAAM- Lichtbogengestütztes Auftragschweißen mit Metalldraht (19)
    3. 3. Laser Auftragsschweißen - Lasergestütztes Auftragsschweißen mit Metalldraht sowie für die Prozesse:
    4. 4. Bohren, Fräsen und Schleifen (9)
    5. 5. Optional Geometriemessung (10)
    6. 6. Optional Temperaturmessung
  • Die Energiequellen für die drei Verfahren sind gänzlich verschieden und werden neben dem Rahmen aufgestellt (12).
  • Die Versorgungsleitungen von den Energiequellen zum Wechselsystem sind am Bewegungssystem fest adaptiert. Ein Universalstecker erlaubt die automatische Verbindung der Druckköpfe (2) mit den Versorgungsleitungen.
  • Für die Erfassung der Bauteilgeometrie können verschiedene Sensoren 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 zu verhindern.
  • Je nach gewähltem Verfahren wird der entsprechende Druckkopf 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 (14) vom Bewegungssystem (1) aus dem Magazin (7) selbstständig entnommen und gemäß dem von der Steuerung (5) vorgegebenen Verfahrensablauf (4) zum Aufbau eines Bauteils (4) eingesetzt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Bewegungssystem
    2.
    Druckkopf
    3.
    Wechselbare Aufbauplatte
    4.
    Additiv hergestelltes Bauteil
    5.
    Steuerung
    6.
    Sensor für Temperaturmessung
    7.
    Magazin
    8.
    Wechselsystem
    9.
    Fräser, Bohrer, Schleifer
    10.
    Geometriemesssensor
    11.
    Thermoschild mit Lüfter
    12.
    Generator zur Erzeugung der Prozessenergie (je nach Verfahren: Schweißstromquelle oder Laser oder Energieversorgung für den Extruder)
    13.
    Draht / Filament
    14.
    Befestigungselement für die Kopplung mit dem Wechselsystem an dem Bewegungssystem
    15.
    Draht- oder Filamentrolle
    16.
    Heiz-oder Kühlelement
    17.
    FDM-Druckkopf
    18.
    FDM-Extruder
    19.
    WAAM-Druckkopf
    20.
    WAAM-Metall-Schutzgas-Schweißbrenner

Claims (10)

  1. Maschine (1) und Verfahren (4) für den lagenweisen, additiven, dreidimensionalen Materialaufbau mit unterschiedlichen Verfahren für die Herstellung von Bauteilen aus Metall, Kunststoff und Mischformen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselsystem (8) sowohl den schnellen Wechsel des additiven Verfahrens durch den Wechsel des Druckkopfes (2), als auch anderer für die Herstellung des Verfahrens hilfreicher Sensoren, z. B, für die Messung von Geometriedaten (10) des in der Herstellung befindlichen Bauteils (4) als auch für die Messung lokaler Temperaturen (6) sowie die Nutzbarmachung von spanenden Bearbeitungsgeräten (9) zur mechanische Bearbeitung während oder nach dem Aufbauprozess, ermöglicht.
  2. Maschine und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine wiederkehrende Messung der, aus dem Aufbauprozess und gegebenenfalls einem Korrekturprozess resultierenden, Oberflächentemperaturen nach einer x-ten Lage (wobei x eine Wert zwischen 1 und Unendlich annehmen kann) zur Korrektur der Aufbaufolge nach der Strategie der „Aufbaureihenfolge nach aufsteigenden Temperaturen der gemessenen Bauteiloberfläche“ so angewendet wird, dass eine Steuerung (5) den Verfahrweg des Druckkopfes (2) innerhalb der nächsten Lage oder Lagen so festlegt, dass zunächst der Bauteilbereich mit der niedrigsten gemessenen Temperatur (5) aufgetragen wird, danach der zum Zeitpunkt der Messung zweitniedrigste und sofort, bis alle Bereiche derselben Lage aufgetragen sind (4).
  3. Maschine und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine wiederkehrende Messung am Ende einer y-ten Lage (wobei y einen Wert zwischen 1 und Unendlich annehmen kann, x kann größer, kleiner oder gleich y sein) der resultierenden Geometrie genutzt wird, um durch Korrektur dieser, die vorgegebene Geometrie zu erreichen; dies kann entweder durch lokale subtraktive spanende Bearbeitung mittels bohren, schleifen oder fräsen oder zwischengeschaltetes lokales Auftragen vor der nächsten Lage erfolgen.
  4. Verfahren und Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine (1) über ein Bewegungssystem (1) verfügt, das ein zur Oberfläche der Aufbauplatte (3) paralleles, lagenweises Aufbauen eines Bauteils erlaubt und ein Werkzeugwechselsystem (8) an der Werkzeugaufnahmefläche des Bewegungssystems zur Aufnahme unterschiedlicher Druckköpfe (2) und anderer Bearbeitungswerkzeuge (9) oder Sensoren (6, 10) aufweist.
  5. Verfahren und Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine über Sensoren zur Erfassung der Geometrie (10) sowie der ortsgenauen Oberflächentemperaturen (6) aufweist, deren Signale von einer Steuerung (5) ausgewertet werden und einem Programmablauf folgend Prozessschritte zur geometrischen Korrektur durch Auftragen oder Abtragen sowie eine Neuplanung des Verfahrweges des Druckkopfes (2) und der somit der Auftragsreihenfolge berechnet und in Bewegungsbefehle umwandelt, die dann zur Steuerung der Maschine genutzt werden.
  6. Verfahren und Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druckköpfe (2) als Schweißbrenner (19, 20), Extruder (17, 18) oder Laseroptik, mit Zusatzwerkstoffzufuhr oder Kombinationen davon, für die Ausführung unterschiedlicher additiver Fertigungsverfahren, wie das Fused Deposition Modelling FDM, das lichtbogengestützte Wire and Arc Additive Manufacturing WAAM sowie das generative Laser Auftragsschweißen LA ausgeführt sind und über ein zum Werkzeugwechselsystem (8) passendes Befestigungselement (14) verfügen.
  7. Verfahren und Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungssystem dabei als kartesisches xyz-System (1), als Knickarmroboter, als Hexa- oder Tetrapode oder als gänzlich anderes System ausgestaltet ist, solange es eine lagenweise Aufbaustrategie ermöglicht. Zusatzachsen am Bewegungssystem sind optional möglich.
  8. Verfahren und Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbauplatte (8) leicht wechselbar in der Maschine (1) befestigt ist, so dass eine schnelle Umstellung von einem Bauteil zum Anderen sowie von einem Verfahren zum Anderen möglich ist und auf der wechselbaren Aufbauplatte die benötigten Druckköpfe (2) sowie andere benötigte Werkzeuge (wie z. B. Fräs- und Bohrgeräte 9) und Sensoren zur Bestimmung von Maßen (10) und Temperaturen (6) in einem fest auf der Aufbauplatte montierten Magazin (7) gelagert werden können, bis sie zum Einsatz kommen.
  9. Verfahren und Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Heiz- (bspw. Infrarot-Wärmestrahler, elektrische Heizplatten und -elemente sowie gasbeheizte Heizkörper etc.)und Kühlsysteme (Peltierelemente, Lüfter und Düsen zur Benetzung mit kühlenden Gasen und Flüssigkeiten) zur Bauteiltemperierung (16) am Wechselsystem (8) und der Aufbauplatte (3) angebracht und eingesetzt werden können.
  10. Verfahren und Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine mit einem parallel zur Aufbauplatte am Bewegungssystem montierten und damit, einem mit den Bewegungen des Bewegungssystems mitgehenden, flächigen Thermoschildes (11) aus Metall oder Keramik ausgestattet mit einem Lüfter, der parallel zum Thermoschild einen Frischluftstrom zur Schaffung einer Sperrschicht aus kalter Luft unterhalb des Thermoschildes schafft, ausgestattet ist.
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