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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur individualisierten
optischen Kennzeichnung von Bauteilen, die mit einem generativen
Fertigungsverfahren hergestellt werden.
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Der
Begriff generative Fertigungsverfahren bezieht sich hier insbesondere
auf das Rapid Manufacturing. Das Rapid Manufacturing (RM) ist ein
additives urformendes Verfahren zur Herstellung gebrauchsfertiger
Einzelteile mit voller Funktionsfähigkeit, die als Endprodukte,
die möglicherweise eine logistische Kette durchlaufen oder
in eine Komposition mehrerer Bauteile integriert werden oder in
den Handel gelangen, eine eindeutige Identifizierung verlangen.
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Zum
gegenwärtigen Zeitpunkt gibt es große Bestrebungen
in der Industrie und Logistik, Daten- und Materialfluss miteinander
zu kombinieren. Jedes gefertigte Bauteil soll mit einem eindeutigen
Identifikationsmerkmal im übergeordneten Steuerungs- oder
Leitsystem zu relevanten Daten zuordenbar sein. Reale Bearbeitungsschritte,
Transport und Lagerung am Objekt spiegeln sich beispielsweise in
einer elektronischen Datenverwaltung nachverfolgbar wieder. Die
physische Verknüpfung einer Identifikationsnummer mit einem
Produktionsteil, Transportobjekt oder Fertigteil erfolgt beispielsweise
durch Zuordnung einer in geeigneter Weise gespeicherten Zeichenkette.
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten zur Kennzeichnung
von Bauteilen bekannt. Übliche Systeme zur Identifikation
sind z. B. Transponder oder Etiketten mit Barcodes.
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RFID-Systeme
(Radio Frequency Identification) arbeiten mit elektronischen Datenträgern,
die mit elektromagnetischen Wellen angesteuert werden. Die RFID-Technik
nutzt dafür sogenannte Transponder. Sie müssen
am zu kennzeichnenden Objekt verbunden angebracht sein. Das Lese-
und Schreibverfahren für Transponder ist kontaktlos und benötigt
keine Sichtverbindung. Nachteilig wirken sich derzeit höhere
Stückkosten als bei Klebetiketten, nicht einheitliche Übertragungsstandards
für die verwendeten Frequenzen und zusätzliche
Arbeitsschritte für die Verbindung von Transponder und
Objekt aus. Positiv ist die Möglichkeit einer individuellen Kennzeichnung
zu werten, indem der Transponder nach seiner Anbringung mit den
objektspezifischen Daten bestückt wird.
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Ein
solches Identifikations-System ist z. B. aus der
DE 10 2006 030 913 A1 bekannt.
Kunststoffprodukte werden während der Fertigung mit einem RFID-Etikett
mit dem Ziel einer späteren Identifizierbarkeit versehen.
Dazu wird das Etikett in die Spritzgussform an eine vorbestimmte
Stelle eingelegt. Beim Einspritzen verbindet sich die eigens dafür
entwickelte Etikettrückseite mit dem schmelzwarmen Kunststoff
(„In-Mould-Verfahren”) und das Etikett ist an
der späteren Teiloberfläche irreversibel integriert und
schließt mit ihr ab. Eine individuelle Teilekennzeichnung
bei Gussverfahren ist machbar. Für Rapid Manufacturing
ist diese Lösung jedoch ungeeignet, da z. B. bei Sinterverfahren
sehr hohe Temperaturen erreicht werden, die den Transponder zerstören
würden.
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Daneben
sind für die Identifikation von Bauteilen Klebetiketten
weit verbreitet. Sie enthalten einen optisch lesbaren Code, der
vollautomatisch gedruckt und ausgelesen werden kann und das beklebte
Objekt identifiziert. Etiketten haben den Nachteil, dass mit ihnen
keine individuelle Kennzeichnung der physischen Einzelobjekte realisiert
werden kann, insbesondere wenn in einem Arbeitsvorgang mehrere ähnliche
Fertigteile den Bauraum einer RP-Anlage verlassen und trotzdem eindeutig
identifiziert werden sollen. Darüber hinaus sind sie auf
der Bauteiloberfläche Umwelteinflüssen schutzlos
ausgeliefert und eine dauerhafte Kennzeichnung kann nicht oder nur mit
zusätzlichem Aufwand gewährleistet werden. Lebenslange
Identifizierbarkeit spielt jedoch in markenschutzrechtliche Belange,
Rückverfolgbarkeit und Eindeutigkeit herein. Deshalb wurden
Möglichkeiten entwickelt, optische Kennzeichnungen dauerhaft
zu erzeugen. Direct Part Marking (DPM) nutzt die Oberfläche
des Objekts aus, um darauf direkt einen Code zu integrieren. Lasergravur
oder Nadeldruck hinterlassen einen Oberflächeneingriff
der im Bauteil eine umweltbeständige Markierung erzeugt.
Der Nachteil liegt in einer kostenintensiven Nachbearbeitung mit Spezialmaschinen
für Lasergravur oder Nadelprägung.
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Aus
der
DE 31 41 461 ist
z. B. ein Verfahren zur optischen Identifikation als Direktmarkierung
in der Oberfläche bekannt. Es werden Strichcodefolgen,
die als Rippen oder Rillen in eine Gummi- oder Kunststoffoberfläche
eingearbeitet werden, beschrieben. Die maschinelle Lesung unter
dem Kriterium der dauerhaften Lesbarkeit wurde angestrebt, indem
der Code auf einem funktionell nicht beanspruchten Bereich angebracht
ist, wobei als Anwendungsgebiet insbesondere die Kennzeichnung von
Reifen genannt wird. Hauptidee dieser Erfindung ist die lebenslange
Identifizierbarkeit der Kenndaten von Reifen, z. B. der Dimension,
mit automatischen Verfahren, um den Identifikationsprozess fehlerarm
und rationell zu gewährleisten. Eine individuelle Kennzeichnung
einzelner Reifen ist jedoch nicht möglich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem
Stand der Technik zu überwinden und ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem es gelingt, die mit einem generativen Fertigungsverfahren
herzustellenden Bauteile oder Baugruppen direkt während
ihrer Fertigung eineindeutig mit einer Direktkennzeichnung (DPM)
zu versehen.
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Erfindungsgemäß gelingt
die Lösung dieser Aufgabe mit den Merkmalen des ersten
Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Mit
der vorliegenden Erfindung werden die Ideen für eine individuelle
Kennzeichnung mit generativen Fertigungsverfahren vereinigt. Als
besonders geeignet erwies sich dabei die Kombination aus Rapid Manufacturing
und optischer Kennzeichnung. Ein optisch lesbarer Code, beispielsweise
ein 2D-Code wie der Data Matrix ECC 200, wird idealerweise durch
eine Software in ein Relief umgewandelt und in die Oberfläche
des Objekts integriert. Somit kann die Kennzeichnung als Bestandteil
des Bauteils, vorzugsweise in horizontaler Ebene, z. B. auf einem 3D-Drucker
generiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
wird im Folgenden als generatives Direct Part Marking bezeichnet.
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Erfindungsgemäß werden
der RM-Herstellungsprozess, die Codeerzeugung und die Integration
des Codes in den RM- Herstellungsprozess miteinander kombiniert,
so dass im Ergebnis eine individuelle Bauteilkennzeichung ohne Zusatzkosten
realisiert werden kann.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 – ein
erstes und zweites Ausführungsbeispiel eines mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren gefertigten Bauteils
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2 – ein
zweites und drittes Ausführungsbeispiel eines mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren gefertigten Bauteils
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3 – ein
fünftes Ausführungsbeispiel eines mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren gefertigten Bauteils
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In 1 sind
zwei Varianten zur Erstellung eines Codereliefs dargestellt: auf
der linken Seite als Dot-Matrixcode- und auf der rechten Seite als
Matrixcoderelief, wobei jeweils drei verschiedene Anordnungsmöglichkeiten
auf den Bauteiloberflächen (Oberseite, Unterseite oder
Seitenfläche) gezeigt sind.
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Erfindungsgemäß wird
davon ausgegangen, dass ein einfacher Matrixcode in Reliefstruktur
Stützstrukturen notwendig macht, wenn er nicht in die Bauteiloberfläche
(1, Position 1) integriert ist. Gemäß dem
verwendeten generativen Fertigungsverfahren ist das Bauteil nur
aus Bauteilmaterial oder aus Bauteilmaterial und Stützstrukturmaterial
aufgebaut.
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Die
Kennzeichnung kann erfindungsgemäß ein offen liegender
dreidimensional dargestellter 2D-Code an der Bauteiloberfläche
sein, der mit geeigneten Leseverfahren ohne den Einsatz eines kontrastierenden
Farbmaterials detektierbar ist.
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Für
die Erzeugung einer individuellen Kennzeichnung unter Verwendung
von Stützstrukturmaterial und Bauteilmaterial sind diese
so zu kombinieren, dass daraus ein kontrastreicher Code entsteht.
Dabei wird das Stützstrukturmaterial als Codeträger,
als flächig begrenzte Zwischenschicht, im Bauteilmaterial eingebettet.
Das Stützstrukturmaterial muss vom Bauteilmaterial vollständig
umschlossen sein, damit es nicht heraus- bzw. ablösbar
ist. Dazu werden über dem Code beispielsweise ein bis zwei
Schichten Bauteilmaterial aufgebracht. Da die 3D-Druckanlagen häufig
mit mindestens einem Stützstruktur- und einem Objektmaterial
arbeiten, können beide Materialien parallel, ohne Materialkassettenwechsel,
im Bauteil verarbeitet werden. Es ist wichtig, ein möglichst
dunkles Stützstrukturmaterial mit einem hellen oder transparenten
Bauteilmaterial zu kombinieren (unter der Voraussetzung der Erkennung
durch sichtbares Licht). Umgekehrt wird bei hellem Stützstrukturmaterial
die Verwendung von dunklem Bauteilmaterial nicht ausgeschlossen.
Die Kennzeichnung sollte durch ein bis zwei Bauteilschichten sichtbar
sein, um den eingebetteten Code zu identifizieren.
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Um
eindeutige Leseergebnisse zu erzielen, soll der erzeugte Code, sofern
er nicht offen liegend verkörpert wurde, nicht beliebig
kleinflächig ausgebildet sein, sondern so, dass die Modulgröße
größer als die durch die bedeckende Materialschicht
hervorgerufene Unschärfe ist. Dabei ist es vorteilhaft,
den Code als Dot-Matrixcode auszuführen, da hierbei trotz
großer Datendichte die verwendete Fläche klein ist.
Matrixcodes erfordern Module mit scharfen Konturen, an denen das
Referenzmuster ausgerichtet werden kann. Die auftretende Streuung
kann den Lesevorgang behindern. Dot-Matrixcodes verwenden ein Referenzgitter,
das in den Linienschnittpunkten hell oder dunkel detektiert. Randunschärfe
beeinflusst die Auslesung nicht.
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Die
horizontalen Linien in 1 symbolisieren den schichtweisen
Aufbau der in einem generativen Fertigungsverfahren hergestellten
Bauteile. Sobald der Code durch einen Codegenerator erstellt wurde,
wird er in eine 3D-Struktur gewandelt. Sie besteht aus zwei Reliefebenen.
Entsprechend dem theoretischen Kontrastwert der herkömmlichen
optisch lesbaren Codierung wird die Ebenentiefe zugeordnet. Der
dreidimensional ausgebildete Code wird auf dem Bauteil zunächst
virtuell eingefügt und platziert und anschließend
im Fertigungsprozess mit erzeugt.
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Zwei
weitere Ausführungsformen eines mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellten Bauteils ergeben sich durch die Umkehrung
der Reliefstruktur. Es entsteht ein erhabenes Relief wie es in 2 dargestellt
ist. Der Code ist über die Oberfläche erhöht
(2 unten) oder erhält zum Schutz einen
Rahmen, der ihn umschließt (2 oben).
Die Bauteilschichten sind hier ebenfalls über horizontale Linien
verdeutlicht.
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Es
liegt auch im Bereich der Erfindung, dass die Reliefstruktur mit
farblich unterschiedlichen Materialien zur Erzielung eines optischen
Kontrastes erzeugt wird, sofern die RM-Fertigungsanlagen zur Parallelverarbeitung
von mehreren Werkstoffen ausgelegt sind (s. 3). Die
Kennzeichnung wird ähnlich wie bei einem Farbdrucker direkt
im Fertigungsprozess farbig mitgeneriert. Die Farbigkeit soll an
der Oberfläche sichtbar sein und die farbige Kennzeichnung
bündig mit der Oberfläche abschließen.
Eine zusätzliche Deckschicht aus transparentem Baumaterial
kann als Schutzschicht für die Kennzeichnung aufgebracht
werden.
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Für
Lesegeräte, die mit Wellenlängen aus dem nicht
sichtbaren Bereich arbeiten (z. B. Infrarot) muss die Farbe allerdings
nicht unterschiedlich sein, jedoch die Reflexionseigenschaften der
verwendeten Materialien für die zum Lesen verwendete Strahlung.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen
Verfahrens können auch speziell präparierte Bauteil-
und Stützstrukturmaterialien verwendet werden. So können
die eingeschlossenen Codeelemente z. B. mit maschinell verwertbarer/detektierbarer
und für das menschliche Auge nicht zwingend sichtbarer
Strahlung erkennbar gemacht werden. Sie birgt den Vorteil einer
nicht manipulierbaren und für den Menschen unsichtbaren
Identifikation im Bauteil, macht allerdings eine veränderte
Belichtungs- und Leseapparatur notwendig.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein neues Verfahren zur physischen
Verknüpfung von Objekt und optischer Kennung vorgeschlagen.
Dabei ist letztere auf Lebenszeit im Objekt integriert, unabhängig
von Umwelteinflüssen und individuell gestaltbar.
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- 1
- Bauteiloberfläche
- 2
- 2D-Matrixstruktur
als dreidimensional dargestellter 2D-Code
- 3
- Bauteilseitenfläche
- 4
- Bauteilunterseite
- 5
- 2D-Matrixstruktur
als dreidimensional dargestellter 2D-Code in punktierter Ausführung
- 6
- schichtbildendes
Anlagenteil
- 7
- Deckschicht
- 8
- helle
und dunkle Bestandteile der Kennzeichnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006030913
A1 [0006]
- - DE 3141461 [0008]