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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau
von Modellen
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Verfahren
zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile durch schichtweisen Aufbau
sind schon seit längerer Zeit bekannt.
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Beispielsweise
wird in der europäischen Patentschrift
EP 0 431 924 B1 ein Verfahren
zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben.
Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht
auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines
Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder
bedruckte Partikelbereich verklebt und verfestigt sich unter dem
Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen
Härters. Anschließend wir die Plattform um eine
Schichtdicke in einen Bauzylinder abgesenkt und mit einer neuen
Schicht Partikelmaterial versehen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, bedruckt
wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine gewisse, erwünschte
Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und
verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt.
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Dieses
aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner
Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend
davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig
bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver
z. B. durch Abbürsten befreit werden.
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In ähnlicher
Weise arbeiten auch andere Pulver-gestützte Rapid-Prototyping-Prozesse,
wie z. B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern
bei denen jeweils ebenso ein loses Partikelmaterial schichtweise
ausgebracht und mit Hilfe einer gesteuerten physikalischen Strahlungsquelle
selektiv verfestigt wird.
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Im
Folgenden werden alle diese Verfahren unter dem Begriff „dreidimensionale
Druckverfahren” oder 3D-Druckverfahren zusammengefasst.
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Um
das lose Partikelmaterial selektiv zu binden kann ein polymerisierendes
Material auf das Partikelmaterial aufgebracht, bzw. gedruckt werden. Hierzu
eignen sich insbesondere Materialsysteme aus den Gruppen Acrylate,
Expoxidharze, Urethanharze und Polyesterharze.
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Im
Vergleich zu anderen Druckmedien beinhalten diese Flüssigkeiten
auf Grund ihrer Fähigkeit zur Polymerisation besondere
Gefahren, die zu Fehlfunktionen beim Drucken führen können.
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So
kann es sein, dass sich während des Aufbauprozesses am
Druckkopf des Polymermediums verhärtetes Polymer ansetzt,
das dann meist nur unter erheblichem Aufwand wieder abgelöst
werden kann. Wird der Druckbetrieb automatisiert durchgeführt,
können durch solche sich immer weiter verstärkenden
Anhaftungen am Druckkopf ernsthafte Schäden nicht nur am
Produkt sondern auch an der Maschine auftreten.
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Zur
Erkennung von Fehlfunktionen eines Druckkopfes oder zur Detektion
von Fehlern im Baufeld, auf dem Partikelmaterial aufgebracht ist,
sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren und Vorrichtungen
bekannt.
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So
wird in dem Dokument
DE
103 10 385 B4 ein Verfahren beschrieben, bei dem das Baufeld
mit dem aufgebrachten Material durch eine Stereokamera oder eine
Streifenlichtmesseinrichtung vermessen wird und so eventuelle Prozessstörungen,
wie Partikelfehlstellen oder Partikelschichtfehler erkannt werden.
Anhand dieser Information können dann wiederum Maßnahmen
für den Druckkopf abgeleitet werden.
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Ebenso
ist aus der
EP 1631439
B1 eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Einheit über
das Baufeld bewegt wird, die mittels Licht auf dem Baufeld Verklumpungen
erkennen kann. Durch eine Unterbrechung des Lichtstrahls kann damit
eine Störung im Baufeld erkannt werden. Mittels dieser
Informationen können dann auch geeignete Maßnahmen
für den Druckkopf eingeleitet werden.
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Ferner
beschreibt
EP 1308279
A2 ein Verfahren, bei dem der Ausfall einzelner Düsen
und damit der Druckkopfzustand anhand eines Testmusters beurteilt
wird. Das Testmuster wird dazu über ein optisches System
eingelesen. Die Intensitätsschwankungen im Testbild werden
ausgewertet, um nicht arbeitende Düsen zu erkennen.
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Die
US 7104634 zeigt ein Verfahren
bei dem die Tropfen eines Druckkopfes direkt durch stroboskopische
Beleuchtung sichtbar gemacht werden können. Diese optische
Information wird dann dazu genutzt, entsprechende Korrekturmaßnahmen
einzuleiten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es nun ausgehend hiervon eine Vorrichtung
und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen in sehr einfacher Weise
noch exakter starke Verschmutzungen am Druckkopf erkannt werden
können und geeignete Maßnahmen festgelegt werden,
die eine zu starke Polymerisierung am Druckkopf verhindern.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung
gelöst durch ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von
Modellen, wobei auf eine Bauplattform ein erstes Material und daran
anschließend selektiv ein zweites Material jeweils schichtweise
aufgetragen wird und diese beiden Auftragungsschritte wiederholt
werden, bis ein gewünschtes Modell erhalten wird, wobei
die beiden Materialien bei einem geeigneten Mischungsverhältnis
einen Festkörper bilden, das zweite Material ein Bindemittel
aufweist und über einen Druckkopf aufgetragen wird und
wobei der Druckkopf selber während des Aufbauprozesses
zwischen zwei Beschichtungsvorgängen an seiner der Bauplattform
zugewandten Seite vermessen wird und bei Überschreitung
der Messwerte von vorbestimmten Grenzwerten der Druckkopf zu einer
Reinigungsstation verfahren wird.
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Es
soll gemäß der vorliegenden Erfindung eine automatischen
Detektion von Anhaftungen am Druckkopf erfolgen. Dies geschieht
durch eine Vermessung der Unterseite des Druckkopfes.
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Insbesondere
große Anhaftungen sollen als schädlich detektiert
werden und dann geeigneten Maßnahmen ergriffen werden,
um die Anhaftungen zu beseitigen oder den Prozess zu stoppen. Als
große Anhaftungen werden solche betrachtet, die durch die
Bewegung des Druckkopfes die Pulverschicht zerstören oder
einen Austausch von Partikeln von der Bauplattform zum Druckkopf
ermöglichen.
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Den
Ausfall einzelner Düsen am Druckkopf festzustellen ist
nicht unbedingt notwendig, könnte als zusätzliche
Ausführungsform der Erfindung zusätzlich vorgesehen
sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird der Druckkopf nach der Reinigung in der Reinigungsstation wieder
beim Aufbauprozess eingesetzt.
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Eine
solche Vorgehensweise hat sich insbesondere dann als vorteilhaft
erwiesen, wenn die Verschmutzung relativ leicht ist. Eine Definition
von leichter bzw. stärkerer Verschmutzung könnte
vorab durch Bestimmung der Grenzwerte erfolgen.
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Ebenso
wäre es aber auch denkbar, dass nach der Reinigung nochmals
eine Messung des Druckkopfes erfolgt und damit geprüft
werden kann, ob die Anhaftungen vollständig oder zumindest mehrheitlich
entfernt werden konnten.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Druckkopf nach der Reinigung in der Reinigungsstation nicht mehr
beim Aufbauprozess eingesetzt wird.
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Eine
solche Vorgehensweise ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der Druckkopf
nicht durch einfache Reinigung wiederhergestellt werden kann.
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Wenn
dies der Fall ist, wäre es gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich, dass der Druckkopf durch einen anderen
Druckkopf ersetzt wird.
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Darüber
hinaus könnte gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren auch der Aufbauprozess vollständig gestoppt werden.
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Dies
könnte dabei beispielsweise derart erfolgen, dass dem Benutzer
automatisch ein Warnsignal gegeben und der laufende Druckauftrag
abgebrochen wird.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ebenso gelöst durch
eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau von Modellen aufweisend
eine Bauplattform, einen Beschichter zum Auftragen von Partikelmaterialschichten,
einen auf einem Achsensystem verschiebbaren Druckkopf zum Auftragen
von Bindemittel, eine Reinigungsstation für den Druckkopf
und eine optische Vermessungsvorrichtung zum Vermessen des Druckkopfes
mit mindestens einem Sender und mindestens einem Empfänger
und eine Auswerteeinrichtung zum Vergleichen der Messwerte des Druckkopfes
mit vorbestimmten Grenzwerten, wobei der Sender und der Empfänger
mit dem Achsensystem des Druckkopfes verbunden sind.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird der Sensor, das heißt die einen
Sender und Empfänger aufweisende Einheit, zum Überprüfen
des Druckkopfes also selbst nicht bewegt und ist fest mit dem Achsensystem
des Druckers verbunden. Zum Überprüfen des Druckkopfes
und dabei insbesondere seiner Unterseite wird dieser am Detektionssystem
vorbeigeführt und vermessen. Durch eine solche Ausgestaltung
können zusätzliche bewegte und fehleranfällige
Teilsysteme eingespart werden, denn es wird ausschließlich
der Druckkopf bewegt, der sowieso zum Auftragen von Fluiden beweglich
sein muss.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung
derart vorgesehen, dass der Sender und der Empfänger in
horizontaler Richtung außerhalb eines Verfahrbereichs des Druckkopfes
und des Beschichters angeordnet sind.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist derart vorgesehen, dass der Sender und der Empfänger
zusätzlich mit jeweils einem Gehäuse versehen
sind, das durch Beaufschlagung mit Druckluft staubfrei gehalten wird.
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Die
gleichen schon beschriebenen Ausführungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung können ebenso für das Beschichtersystem
der Vorrichtung eingesetzt werden. Das Beschichtersystem weist einen
sogenannten Beschichter auf, der ebenso wie der Druckkopf über
das Baufeld bewegt wird, um Partikelmaterial aufzutragen.
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Störungen
können hier beispielsweise durch die Anhaftung von feuchten
Pulver oder herunterhängenden Teilen entstehen. Alle folgenden
Ausführungen können deshalb sinngemäß auch
für den Beschichter gelten.
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Zur
näheren Erläuterung wird die Erfindung anhand
bevorzugter Ausführungsbeispiele nachfolgend unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher beschrieben.
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In
der Zeichnung zeigt dabei:
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1 einen
Bauprozess für einen Formkörper aus Kunststoff;
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2 einen
Schnitt durch die Bauplattform eines 3D-Drucksystems mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
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3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform;
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4 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer
noch weiteren bevorzugten Ausführungsform;
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5 verschiedene
besonders bevorzugte Ausführungsform der Strahlungslichtschranken;
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6 eine
weitere bevorzugte Ausführungsform in Kombination mit einer
günstigen Bewegungsform des Druckkopfes; und
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7 eine
noch weitere bevorzugte Ausführungsform mit der Befestigung
des Laserstrahlers und eines Empfängers.
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Betrachtet
man 1, so ist dort allgemein ein Bauprozess im 3D-Druck
beschrieben.
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Beispielhaft
soll im Folgenden das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung für
den Einsatz beim schichtweisen Aufbau von Gussmodellen aus Partikelmaterial,
Bindemittel und Härter bei einem Rapid-Prototyping-Verfahren
erläutert werden.
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Ein
besonders wichtiges Beispiel ist hier ein Partikelprozess, bei dem
die Reaktionskomponenten zur Polymerisation zum Teil im Pulver und
zum Teil im Druckfluid vorhanden sind. Dieses Verfahren weißt einige
Schwierigkeiten auf, wenn das Verfahren nicht „sauber” ausgeführt
werden kann, das heißt, dass es insbesondere bei einem
solchen Verfahren gezeigt hat, dass die beiden Komponenten beim
Auftrag in Kontakt kommen können und daher nicht nur auf
der Bauplattform ausgehärtetes Partikelmaterial entsteht,
sondern gegebenenfalls auch am Druckkopf und/oder am Beschichter.
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Bei
einem Aufbauverfahren, das unter Bezugnahme auf 1 beschrieben
wird, eines Bauteiles, wie beispielsweise eines Gussmodelles, wird eine
Bauplattform 1, auf der das Modell gebildet werden soll,
um eine Schichtstärke des Partikelmaterials 2 abgesenkt.
Danach wird Partikelmaterial 2 in einer erwünschten
Schichtstärke 3 aus einem Beschichtersystem 4 auf
die Bauplattform 1 aufgetragen.
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Bevor
eine weitere Schicht Partikelmaterial aufgetragen wird, erfolgt
beispielsweise das selektive Auftragen von Härter auf auszuhärtende
Bereiche durch den Druckkopf 5.
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Dieser
Druckkopf 5 kann auf unterschiedliche Weise in einem solchen
Aufbauprozess verschmutzen.
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Beispielsweise
kann durch Abtropfen des Härters oder die Bewegung des
Druckkopfes Pulver aufgewirbelt werden und sich in Verbindung mit
dem austretenden Härter am Druckkopf 5 als Ablagerung 6 anhaften
(siehe beispielsweise 3). Zudem können auch
andere, mechanische Defekte (beispielsweise eine abgelöste
Düsenplatte) am Druckkopf 5 zu Störungen führen,
die es notwendig machen, den Bauprozess abzubrechen und geeignete
Gegenmaßnahmen einzuleiten.
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Unter
anderem können sich Tropfen von Druckfluid 7,
wie beispielsweise Härter, am Druckkopf 5 ansammeln.
Wird der sich bildende Flüssigkeitstropfen 7 zu
groß und kann nicht vollständig abtropfen, kann
er das Partikelmaterial 2 auf dem Baufeld berühren.
In der Folge kann ein Austausch von Pulver und Fluid stattfinden
und eine Polymerisation am des Tropfens 7 am Druckkopf 5 kann
die Folge sein. Eine solche Anlagerung kann nicht nur das Druckvermögen
des Druckkopfes 5 beeinträchtigen, sondern auch
die aufgetragene Partikelschicht 2 wieder zerstören.
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Darüber
hinaus können auch Teile der Vorrichtung durch vom Druckkopf
herabhängende Verfestigungen 8 beschädigt
oder der Bauprozess gestört werden.
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Zu
Detektion der Störungen wird gemäß der gezeigten
bevorzugten Ausführungsform ein optisches Messverfahren
verwendet.
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In 2 und 3 ist
eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
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Wie
den beiden Figuren zu entnehmen ist, wird die Unterseite des Druckkopfes 5 durch
ein lichtschrankenartiges System überprüft. Dabei
ist ein Sender 9, der bevorzugt Laserlicht 13 aussendet,
an einer Seite des Maschinentisches 10 angeordnet. Zudem
gibt es einen Empfänger 11, der gegenüberliegend
angebracht ist. Der Druckkopf 5 kann sich gemäß dem
Achsensystem 12 der Maschine zwischen den Sensoren bewegen.
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Der
Lichtstrahl 13 des Senders 9 kann verschiedene
Querschnittsformen aufweisen. So kann er linienförmig parallel
zum Druckkopf ausgeführt sein oder einen balkenförmigen
Querschnitt aufweisen, dessen lange Seite parallel zum Druckkopf
liegt. Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform, bei der
ein punktförmiger Strahler verwendet wird. Bei allen Ausführungsformen
kann der Empfänger 11 den gesamten Lichteinfall
durch die Strahlungsquelle auswerten.
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Zu
Fehlererkennung wird das Intensitätssignal des Empfängers 11 ausgewertet.
Befindet sich beispielweise ein Tropfen 7 im Strahlengang 13 der Strahlungsquelle 9 wird
dieser beim Einsatz der geeigneten Wellenlänge zerstreut.
Die Intensität am Empfänger 11 ist gegenüber
einem freien Strahlengang deutlich geschwächt.
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Über
die Intensität am Empfänger 11 kann in einer
weiteren Ausführung der Erfindung der Grad der Verschmutzung
oder der Störung ermittelt werden. Anhand dieser Information
kann entschieden werden, ob der Druckkopf in der Reinigungsstation 14 gereinigt
wird oder der Bauprozess abgebrochen muss. Wird die Lichtquelle 9 beispielsweise
komplett abgedeckt, kann auf einen scherwiegenden Defekt wie ein
herunterhängendes Bauteil geschlossen werden.
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Zudem
kann das Sensorsignal kalibriert werden. Dazu wird der Druckkopf
in sauberem, unbeschädigtem Zustand durch den Sensor bewegt.
Das Messsignal wird aufgezeichnet und als Referenz für weitere
Detektionsfahrten genutzt.
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Zudem
kann es günstig sein das Messsignal einer weiteren Signalverarbeitung
zuzuführen. Somit kann beispielsweise durch die Auswertung
lokaler Gradienten, die durch hängende Tropfen verursacht werden,
die Zuverlässigkeit der Messung verbessert werden, da nicht
das fehleranfällige Amplitudensignal verwendet werden muss.
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Die
Anordnung der Sensoren 9 wird in einer besonders bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung so gewählt, dass
der Empfänger und der Sender außerhalb des Verfahrbereichs
des Druckkopfes 5 liegen. Der notwendige Strahlengang,
der dann etwas länger ausfällt, könnte
dann beispielsweise mit Laserlicht realisiert werden.
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Zur
Auswertung des Grades der Verschmutzung des Druckkopfes 5 wird
dieser in dem Strahlengang 13 verfahren. Bei einer linien-
oder balkenförmigen Strahlform wird das Signal zu einem
diskreten Zeitpunkt ausgewertet. Die Gesamtintensität des
Signals gibt dann den Grad der Verschmutzung wieder.
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Bei
einer punktförmigen Strahlungsquelle wird das Signal während
des Verfahrens des Druckkopfs über die Zeit aufgezeichnet.
Anhand der Signalwerte kann sowohl der Ort als auch der Grad der Verschmutzung
beurteilt werden.
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Je
nach Ausführungsform der übrigen Bestandteile
des Drucksystems werden unterschiedliche Positionen von Sender 9 und
Empfänger 11 bevorzugt. Es können alle
erdenklichen Winkel, wie beispielsweise rechte 15 und schiefe 16
Winkel für den Strahlengang relativ zu den Verfahrachsen
gewählt werden (siehe 5 und 6).
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Zudem
ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung auch eine Anordnung bzw. ein Verfahren denkbar, bei
der der Druckkopf 5 während des normalen Druckbetriebs
auf Verschmutzungen überprüft wird. Der Strahlengang 13 des
Sensorsystems kreuzt dann die mäanderförmige Bahn 17 des
Druckkopfes. Die Überprüfung des Druckkopfes 5 nimmt
auf diese Weise während des normalen Bauprozesses keine
zusätzliche Zeit in Anspruch.
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Besonders
bevorzugt wird eine Ausführung, bei der die Sensoren 9 direkt
mit dem Achsensystem des Beschichters oder dem Achsensystem des Druckkopfes 5 mechanisch 18 verbunden
sind. Aufgrund einer solchen Anordnung ergibt sich eine definierte
Lage des Strahlenganges zum aufgebrachten Pulver.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0431924
B1 [0003]
- - DE 10310385 B4 [0011]
- - EP 1631439 B1 [0012]
- - EP 1308279 A2 [0013]
- - US 7104634 [0014]