用于将多余的材料与增材制造的部件分离的方法和装置与流程

1.在现代生产过程中，增材制造变得越来越重要。增材制造允许以相对低的耗费生产具有几乎任何复杂的轮廓和拓扑结构的产品。与传统制造方法相比，在增材制造的情况下只须遵守少量的结构约束。


背景技术：

2.已知的增材制造技术是尤其在生产金属部件时应用的所谓的粉末床方法。在此情况下，用于要生产的部件的材料以粉末床、流化床或材料床的形式逐层地提供。为了生产部件，于是材料的各个颗粒逐层地相互连接。在此情况下，材料可以是金属、聚合物粉末、无机材料或其他粉末状或液体材料。材料颗粒的连接可以通过物理或化学过程、通过烧结、粘合、熔融、固化或其他连接方法引起。已知的方法是激光熔化和激光烧结以及应用紫外线辐射来硬化液体材料。
3.未连接的、即多余的材料在制造过程期间用作被动支撑结构，使得例如可以实现悬垂几何形状。类似的内容也适用于流体或可流体化的材料、诸如可通过紫外线辐射硬化的单体。在制造过程结束之后，未连接的材料经常完全或至少部分地填充部件，并且必须在从材料床取出所述部件之后从最终部件的空腔中移除。
4.至今，多余的材料的移除手动地或通过部件的用机器的旋转或摇动进行。然而，这种处理方式尤其在部件具有几何形状复杂的空腔时可能非常费时。


技术实现要素：

5.本发明的任务是开发一种方法和一种装置，其允许将多余的材料与增材制造的部件高效地分离。
6.该任务通过具有专利权利要求1的特征的方法以及具有专利权利要求13的特征的装置来解决。
7.为了将多余的材料与增材制造的部件分离，接收该部件的空间分辨结构数据。根据结构数据仿真材料从部件的倒空过程，其中确定部件的倒空姿态的序列。根据本发明，针对相应的倒空姿态，-根据所仿真的倒空过程将部件移动到相应的倒空姿态中，-通过传感器探测材料移动，-由于探测到材料移动的减弱，生成触发信号，以及
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通过触发信号促使部件移动到后续倒空姿态中，其中触发信号优先于所仿真的倒空过程被考虑。
8.通过仿真倒空过程并基于此将部件移动到有利的倒空姿态中，通常可以非常有效地将多余的材料与部件分离。尤其，通过优先触发到后续倒空姿态中的移动可以避免延迟，所述延迟基于倒空持续时间通过仿真的过高估计。证实：通过本发明可以在许多情况下显著地减少用于部件的排空持续时间。
9.本发明的有利的实施方式和改进方案在从属权利要求中说明。
10.根据本发明的一种有利的实施方式，根据结构数据可以确定部件的空腔并且将该空腔分成空间区域。针对相应的空间区域，于是可以确定在空腔中伸展的到空腔的开口的路径的路径长度以及该路径长度缩短的倾倒方向并分配给相应的空间区域。可以从所确定的倾倒方向推导出倒空姿态的序列。倾倒方向针对相应的空间区域说明方向，在该方向上位于那里的材料应被输送或倾倒，以便接近开口。优选地，位置相关的路径长度的负梯度的方向可以局部地被确定为倾倒方向。负梯度说明方向，在该方向上路径长度最大限度地缩短。
11.为了分成空间区域，可以在部件或空腔之上放置虚拟空间网格。空间区域于是通过该虚拟网格的位于部件的空腔中的或与该空腔重叠的网格单元形成。
12.优选地，相应的空间区域到开口的最短路径长度可以借助快速行进方法来确定。多种高效的标准例程可用于执行快速行进方法。
13.根据另一有利的实施方式，部件的空腔可以以仿真方式填充有虚拟材料。此外，可以选择空间区域，该空间区域具有到开口的最短的路径长度和/或填充有比其他空间区域更多的虚拟材料。由此可以确定分配给所选择的空间区域的倾倒方向，然后从该倾倒方向中推导出倒空姿态。可以优选地选择部件的倒空姿态，使得所确定的倾倒方向向下指向重力方向。
14.尤其，可以在倒空过程的仿真的范围内仿真虚拟材料在部件中的由移动造成的分布。这在许多情况下允许更准确地仿真倒空过程。
15.此外，该部件可以通过移动设备被旋转到不同的空间取向上和/或被置于机械振动中。在此，振动的幅度、频率或振动方向可以优选地以仿真方式优化。在倒空过程期间部件的机械振动有利于多余的材料在部件中的均匀分布的并且因此经常可更好地仿真的状态。此外，材料可以通过振动在一定程度上从部件中被抖出。
16.根据另一有利的实施方式，可以借助秤来探测材料移动，通过该秤对从部件中倒空的材料称重。一旦倒空的材料的重量保持至少近似固定的、即不再变化或不再显著变化，于是就可以生成触发信号。
17.此外，可以借助光学传感器、尤其摄像机或光栅来探测从部件落下的材料。一旦探测结果低于预先给定的阈值，就可以生成触发信号。
18.为了探测从部件落下的材料，可以借助激光器照射所述材料。尤其，可以使用快速旋转的或以其他方式移动的激光束来在平面中照射落下的材料。多个旋转的激光束可以被用于在不同的平面中并且以不同的颜色进行照射。
19.此外，可以借助声学传感器探测从部件落下的材料的噪声。一旦探测结果低于预先给定的阈值，就可以生成触发信号。
20.此外，可以借助移动传感器探测材料在部件之内的移动。一旦探测结果低于预先给定的阈值，就可以生成触发信号。这种移动传感器例如可以包括激光干涉仪或微系统、尤其所谓的mems（微机电系统（microelectromechanical system）），用于检测部件或位于部件中的材料的小移动。该探测尤其可以经由频率探测来进行。
21.根据本发明的另一有利的实施方式，可以在探测到材料移动的减弱之后，在将部件移动到后续倒空姿态中之前，等待预先给定的时间间隔。由此在许多情况下可以确保：材
料尤其在部件内部的可能的剩余移动也停顿。该时间间隔可以绝对地预先给定或相对于姿态特定的时间段或已经过去的时间段来预先给定。
附图说明
22.以下根据附图更详细地解释本发明的实施例。在此，分别以示意图：图1阐明根据本发明的装置，图2阐明倒空过程的仿真，以及图3阐明根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
23.图1以示意图示出根据本发明的装置a，用于将多余的材料ws与增材、即借助增材制造方法制造的部件bt分离。部件bt优选地通过3d打印机以粉末床方法生产，在该粉末床方法中，如开头所示出的，粉末状或流体材料的各个颗粒逐层地相互连接。在增材制造期间未连接的并且因此多余的材料ws应相应地移除。图1示出在结束逐层制造过程之后、但是仍然在移除多余的、未连接的材料ws之前的部件bt。
24.装置a具有振动设备sv、定位设备pv、控制器ctl以及传感器系统s。
25.部件bt与振动设备sv机械耦合，所述振动设备又与定位设备pv机械耦合。优选地构成为机器人臂的定位设备pv用于将部件置于不同的姿态中。姿态表示部件的空间位置并且包括部件的位置和空间定向或取向。因此，通过定位设备pv，部件可以被移动到不同的位置和空间取向。
26.振动设备sv用于将部件bt置于机械振动中。在此情况下，机械振动的幅度、频率和/或振动方向优选地是可变的。定位设备pv可以将部件bt与振动设备sv一起围绕一个或多个旋转轴旋转并且平移地行进。优选地，部件bt可以通过构成为机器人臂的定位设备pv从3d制造环境、诸如3d打印机中取出并且固定在振动设备sv上。定位设备pv和振动设备sv是用于移动部件bt的移动设备bv的一部分。
27.传感器系统s、定位设备pv、振动设备sv或移动设备bv与控制器ctl耦合。控制器ctl用于控制移动设备bv，即用于通过定位设备pv控制部件bt的定位和取向以及用于控制要通过振动设备sv引起的振动。
28.根据本发明，移动设备bv被控制，使得部件bt相继地采取不同姿态，在这些姿态中尽可能快地和/或完全地倒空多余的材料ws。这种有利的倒空姿态根据一个或多个倒空过程的仿真来确定。该仿真根据部件bt的体积模型cad通过控制器ctl执行。在此，体积模型cad通过部件bt的空间分辨结构数据表示，这些空间分辨结构数据被传送到控制器ctl。根据该仿真，控制器ctl确定用于操控定位设备pv和振动设备sv或移动设备bv的合适的移动数据bd。通过移动数据bd来量化要由部件bt采取的倒空姿态以及振动的频率、幅度和/或振动方向。部件bt的相应的倒空姿态优选地可以通过量化所述部件bt的位置的位置说明连同量化部件bt的空间定向或取向的角度说明来指定。尤其立体角或欧拉角可以被用作角度说明。
29.移动设备bv从控制器ctl接收移动数据bd并通过移动数据bd来控制。以此方式，促使定位设备pv将部件bt移动到倒空姿态中，在该倒空姿态中尽可能快地且有效地倒空多余
的材料ws。此外，促使振动设备sv将部件bt置于机械振动中，使得倒空过程尽可能被加速。在此情况下，材料ws在一定程度上从部件bt中被抖出。
30.在倒空过程期间被倒空的或从部件bt落下的材料ws由传感器系统s探测。传感器系统s尤其用于探测材料ws的由倒空过程造成的移动并且特别是探测该移动的减弱。为了该目的，传感器系统s可以具有不同的传感器。因此尤其可以设置秤w，通过该秤w连续地对从部件bt倒空的材料ws称重。代替秤w或除了秤w之外，还可以设置用于检测倒空的材料ws的另一数量传感器（mengensensor）。此外，光学传感器os、例如摄像机或光栅可以被用于探测倒空的材料ws，优选地连同用于照射倒空的材料ws的激光器l。此外，可以借助声学传感器as来探测从部件bt落下的材料ws或在部件bt中移动的材料ws的噪声。此外，材料ws在部件bt之内的移动可以借助移动传感器bs、例如借助激光干涉仪或所谓的mems（微机电系统（microelectro-mechanical system））来探测。
31.一旦借助传感器系统s确定不再进行明显的材料移动，通常就可以假设：材料ws在部件bt内部的移动也逐渐消失了。一旦出现该状态，部件的排空以及还有部件bt内部的可能的倒出过程就针对当前姿态停顿。由于许多仿真过高估计倒空过程的持续时间，所以证实为非常有利的是，直接在探测到材料移动减弱之后使部件引入下一倒空姿态中，而无需等待通过仿真所确定的持续时间。
32.与此相应地，由于探测到材料移动的减弱，由传感器系统s生成触发信号tr并且传送至控制器ctl。尤其，一旦倒空的材料ws的通过秤w所测量的重量保持至少近似固定的、即不再变化或不再显著变化，于是就可以生成触发信号tr。在其他传感器os、as和bs的情况下，一旦探测结果低于预先给定的阈值，就可以生成触发信号tr。
33.由于接收到触发信号tr，通过控制器ctl促使移动设备bv将部件bt移动到下一倒空姿态中。
34.图2阐明多余的材料ws从部件bt的倒空过程的仿真。由于在图2中使用与在图1中相同或相应的附图标记，则由此表示相同或相应的实体，所述实体优选地如上面所描述的那样实施或实现。
35.为了仿真倒空过程，方法步骤s1至s7优选地通过控制器ctl执行。
36.在方法步骤s1中由控制器ctl读入部件bt的空间分辨结构数据形式的部件bt的体积模型cad。体积模型cad可以尤其作为所谓的cad模型（cad：computer aided design（计算机辅助设计））存在。根据体积模型cad，确定部件bt的空腔h，所述空腔在部件bt的增材制造之后填充有多余的材料ws并且应经由部件bt的开口e被排空。
37.为了仿真倒空过程，空腔h被分成多个空间区域rb。为了该目的，可以优选地将虚拟空间网格放置在部件bt之上或空腔h之上。空间区域rb然后通过位于空腔h中或与所述空腔重叠的网格单元来表示。为了清楚起见，在图2中仅明确表示出了这些空间区域rb中的少量空间区域。
38.在方法步骤s2中，根据体积模型cad针对相应的空间区域rb分别确定在空腔h中伸展的至开口e的路径的路径长度。各个路径长度在图2的右上部分中以阴影示出，其中较暗的区域比较亮的区域更靠近开口e布置。有利地，可以借助所谓的快速行进方法确定路径长度，通过该快速行进方法为每个空间区域rb分别确定从该空间区域到开口e的最短路径。根据快速行进方法，可以通过如下方式确定最短路径和其路径长度：考虑从开口e发出的虚拟
波传播并为每个所述空间区域rb确定到达时间。到达时间于是对应于要确定的路径长度。
39.此外，针对相应的区域rb确定相应的局部倾倒方向，在所述倾倒方向上局部路径长度缩短最多。该倾倒方向优选地被确定为路径长度场的负梯度。分别确定的路径长度和倾倒方向被分配给相应的空间区域。
40.在方法步骤s3中，空腔h根据体积模型cad以仿真方式用虚拟材料颗粒vwp完全或部分填充。在此情况下，仿真中的虚拟材料颗粒vwp可以代表多个实际材料颗粒。在使用其他仿真的情况下，用虚拟材料填充可以相应地不同地实现。
41.此外，用于要确定的倒空姿态的计数器k被初始化为k=1。
42.在方法步骤s4中，确定对于具有虚拟材料颗粒vwp的部件bt的当前填充状态而言有利的倒空姿态ap(k)以及部件bt的合适的振动。当前倒空姿态ap(k)的选择确定排空过程，在该排空过程中重力是驱动力并通过摇动部件bt来辅助。倒空姿态ap(k)的选择基于对部件bt的当前填充状态以及所确定的路径长度和倾倒方向的分析。
43.为了确定有利的倒空姿态ap(k)，在空间区域rb中搜索当前填充有许多、尤其尽可能多的虚拟材料颗粒vwp的空间区域，该空间区域被分配了短的、尤其尽可能短的至开口e的路径长度。必要时，可以针对相应的空间区域rb确定倾倒参数，其方式是当前包含在其中的数量的虚拟材料颗粒vwp与所分配的路径长度例如以加权和的形式来计算。优选地，这种倾倒参数通过较短的路径长度以及通过较大数目的当前所包含的虚拟材料颗粒vwp来提高，并且否则降低。在这种情况下，可以从空间区域rb中选择具有最高倾倒参数的空间区域。
44.接着，确定被分配给所找到的或所选择的空间区域的倾倒方向。根据所确定的倾倒方向确定倒空姿态ap(k)，通过所述倒空姿态ap(k)，部件bt将被取向为使得所确定的倾倒方向向下指向重力方向。
45.此外，确定移动数据，所述移动数据量化所确定的倒空姿态ap(k)。此外，确定其他移动数据，通过所述其他移动数据，部件bt将被置于使倒空过程加速的振动中。其他移动数据尤其可以指定这些振动的幅度、频率以及振动方向。所确定的移动数据被组合在数据记录bd(k)中，其量化部件bt的特定移动步骤。
46.在方法步骤s5中，物理仿真虚拟材料颗粒vwp从部件bt的开口e的倒空过程，所述倒空过程特定地由该移动步骤引起。为此要使用的仿真模型可以根据体积模型cad来实现或初始化。
47.在仿真的范围内，部件bt根据在方法步骤s4中所确定的移动数据bd(k)虚拟地被引入倒空姿态ap(k)中并且被置于振动中。尤其，在此情况下仿真虚拟材料颗粒vwp在部件bt中的由移动造成的分布。如上面已经提及的，倒空过程由于重力驱动并通过振动辅助。由于振动，在许多情况下可以有效地“流化”材料粉末或可以降低材料流体的粘度，由此经常显著地简化仿真技术处理。优选地，虚拟材料颗粒vwp的移动借助颗粒仿真来计算。这种颗粒仿真方法可以尤其在图形处理器上高效地计算。
48.作为特定移动步骤、即倒空姿态ap(k)中的特定倒空过程的仿真的结果，确定虚拟材料颗粒vwp在部件bt中的分布的由此得到的时间变化过程。尤其，确定具有虚拟材料颗粒vwp的部件bt的填充度的得到的时间变化过程。当前的倒空姿态ap(k)、虚拟材料颗粒vwp的分布的得到的变化过程以及得到的填充度变化过程被分配给相应的移动步骤。
49.在方法步骤s6中检查：空腔h是否虚拟地排空了。为此，可以预先给定用于排空的目标值，例如剩余填充度，在低于所述剩余填充度时部件bt被视为排空的或即可使用的。如果空腔h没有被排空，计数器k被递增并且进行到方法步骤s4的回跳，在方法步骤s4中确定下一倒空姿态ap(k 1)。否则，执行方法步骤s7。
50.在方法步骤s7中，仿真结果被记录并且生成基于此的控制文件。控制文件包含所确定的倒空姿态ap(1)、...、ap(n)的序列、用于操控移动设备bv的相关的移动数据bd(1)、...、bd(n)以及其他仿真结果。在当前的实施例中，控制文件针对第k个所仿真的移动步骤包含相关的倒空姿态ap(k)、指定该移动步骤的移动数据bd(k)以及虚拟材料颗粒vwp在部件bt中的分布的由该移动步骤得到的变化过程。
51.图3示出根据本发明的用于将多余的材料与部件bt分离的方法的流程图。如果在图3中使用与在先前的图中相同或相应的附图标记，则由此表示相同或相应的实体，所述实体优选地如上面所描述的那样实施或实现。
52.根据本发明的方法优选地通过控制器ctl执行，所述控制器ctl为了执行尤其可以具有一个或多个处理器、计算机、专用集成电路（asic）、数字信号处理器（dsp）和/或所谓的“现场可编程门阵列”（fpga）。
53.在初始方法步骤s10中，根据体积模型cad通过方法步骤s1至s7仿真如结合图2所描述的倒空过程。如上面所描述的，作为仿真的结果生成控制文件，所述控制文件包含所确定的倒空姿态ap(1)、...、ap(n)的序列、用于操控移动设备bv的相关的移动数据bd(1)、...、bd(n)以及针对相应的倒空姿态ap(k)，虚拟材料颗粒vwp在部件bt中的分布的由此得到的时间变化过程。仿真可以优选地事先或离线地执行。
54.在执行下一方法步骤s11之前，用于倒空姿态的计数器k被初始化为k=1。
55.在方法步骤s11中，根据移动数据bd(k)促使移动设备bv将部件bt移动到倒空姿态ap(k)中并将该部件置于振动中。在此情况下，部件bt的移动或其时间变化过程遵循所仿真的材料分布的时间变化过程。
56.在另一方法步骤s12中，在倒空姿态ap(k)中从部件bt倒空的材料ws如结合图1所解释的那样通过传感器系统s连续地探测。在此情况下，倒空的材料ws的移动尤其被探测。
57.在与此有关的方法步骤s13中检查：所探测到的材料移动是否减弱，即变得明显更弱或停顿。一旦确定不再进行明显的材料移动，就如结合图1所描述的那样生成触发信号tr并传输到控制器ctl。通过触发信号tr促使控制器ctl进行排空检查s14并且必要时跳回到方法步骤s11。如果没有探测到材料移动的减弱，则与此相反地进行到方法步骤s12的回跳。
58.在排空检查s14的范围内检查：部件bt是否已经被排空。尤其可以通过以下方式来进行该检查：将倒空的材料ws的重量与最初位于部件bt中的材料ws的重量进行比较。后者可以例如根据体积模型cad来确定。如果检查得出部件bt排空了，则根据本发明的分离成功地结束并达到目标状态st。
59.而如果检查得出部件bt还未排空，则计数器k被递增并且进行到方法步骤s11的回跳，在该方法步骤中部件bt被移动到下一倒空姿态ap(k 1）中。必要时，可以在开始移动到下一倒空姿态ap(k)中之前等待预先给定的时间间隔，以便确保或提高材料ws在部件bt内部的可能的剩余移动也停顿的可能性。
60.如上面已经提及的，通过触发信号tr促使到方法步骤s11的回跳。在此，触发信号
tr优先于所仿真的材料分布的时间变化过程被考虑。尤其，不等待通过仿真所确定的直到材料移动在倒空姿态ap(k)中逐渐消失的持续时间，而是根据材料移动的实际测量到的减弱来安排。也就是说，与移动设备bv通过控制器ctl的仿真驱动的操控不同，一旦借助传感器系统s确定不再进行明显的材料移动，就促使移动到下一倒空姿态ap(k 1)中。由于衰减时间通过仿真经常被过高估计，所以倒空过程通常因此可以显著被加速。
61.通过仿真倒空过程以及基于此将部件移动到优化的倒空姿态中，通常可以非常有效地将多余的材料与部件分离。尤其，通过到下一倒空姿态中的优先触发的移动可以避免基于倒空持续时间的由仿真造成的过高估计的延迟。证实：通过本发明可以在许多情况下显著地减少用于部件的排空持续时间。