DE102014114037A1

DE102014114037A1 - Verfahren zur Herstellung einer kundenspezifischen Komponente eines Feldgeräts

Info

Publication number: DE102014114037A1
Application number: DE102014114037.0A
Authority: DE
Inventors: Joachim Albert; Detlev Wittmer; Marc Baret; Dietmar Spanke; Thomas Uehlin
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-03-31
Also published as: US20170305135A1; WO2016045883A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kundenspezifischen Komponente eines Feldgeräts zur Bestimmung oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, wobei das Feldgerät in einem Prozess der Automatisierungstechnik eingesetzt wird, wobei die Komponente aus zumindest einem Material gefertigt wird, wobei das Material und, die Struktur und/oder die Form der Komponente anhand von digitalen Beschreibungsdaten vorgegeben wird, und wobei die Komponente entsprechend den vorgegebenen digitalen Beschreibungsdaten in einem 3D Druckverfahren hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer kundenspezifischen Komponente eines Feldgeräts zur Bestimmung oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, wobei das Feldgerät in einem Prozess der Automatisierungstechnik eingesetzt wird und aus zumindest einem Material besteht. Bevorzugt aber nicht ausschließlich handelt es sich bei der Komponente um ein Ersatzteil, ein Umbauteil oder um ein Verschleißteil.
Zur Erfassung von Prozessvariablen in der Automatisierungstechnik dienen Sensoren, die beispielsweise in Füllstandsmessgeräte, Durchflussmessgeräte, Druck- und Temperaturmessgeräte, Analysemessgeräte, usw. integriert sind. Die Geräte erfassen die entsprechenden Prozessvariablen Füllstand, Durchfluss, Druck, Temperatur, Analysedaten, wie pH-Wert, Trübung, BSB, CSB, TOC, SAK, Ammonium, Nitrat, Nitrit, Phosphat, Aluminium, Mangan, Eisen, Chromat, Silikat, Kupfer, Härte, Hydrazin, Chlor, Natrium, Arsen, Quecksilber, Blei, Cadmium oder Leitfähigkeit. Zur Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, wie zum Beispiel Ventile oder Pumpen, über die der Durchfluss einer Flüssigkeit in einem Rohrleitungsabschnitt bzw. der Füllstand in einem Behälter geändert werden kann. Sensoren und Aktoren werden allgemein als Feldgeräte bezeichnet. Als Feldgeräte werden in Verbindung mit der Erfindung jedoch alle Geräte bezeichnet, die prozessnah eingesetzt werden und die prozessrelevante Informationen liefern oder verarbeiten. Feldgeräte bestehen üblicherweise aus einer Vielzahl von Komponenten, deren Struktur und deren Aufbau möglichst einfach ausgestaltet sind, um den Fertigungsaufwand mit den herkömmlichen Fertigungsverfahren möglichst gering zu halten.
Um Lagerkosten zu vermeiden, werden Komponenten von Feldgeräten möglichst zeitnah zur Auslieferung des Feldgeräts hergestellt. Fällt ein Feldgerät aus, so sollte die Komponente, die für den Ausfall des Feldgeräts verantwortlich ist, umgehend ersetzt werden, damit die Stillstandzeit der Anlage möglichst gering ist. Zu diesem Zwecke halten die Betreiber der Anlagen, in denen die Feldgeräte installiert sind, zumindest die für den Betrieb der Anlage ausschlaggebenden Ersatzteile von Feldgeräten vor. Da in einer Anlage oftmals Feldgeräte und deren Nachfolgetypen installiert sind, ist der Lagerumfang von Ersatzteilen u.U. ganz erheblich. Um diesen Lageraufwand beim Betreiber der Anlage zu reduzieren, wird von den Herstellern der Feldgeräte oftmals erwartet, dass sie ggf. auch noch Jahre nach der Erstinstallation eines Feldgeräts ein erforderliches Ersatzteil auf Lager haben und unverzüglich liefern können. Sind die Ersatzteile nicht mehr zu beziehen, so muss in einem herkömmlichen Produktionsprozess mit z.B. spanender Bearbeitung das Ersatzteil aufwändig hergestellt werden. Während im vorher genannten Fall hohe Lagerkosten anfallen, kommt es beim gerade geschilderten Fall ggf. zu unverhältnismäßig hohen Herstellungskosten und langen Liefer- und Transportzeiten, die sich ebenfalls in entsprechend hohen Kosten für den Feldgerätebetreiber niederschlagen. Beim Feldgerätehersteller werden durch Einzelfertigung die normalen Produktionsabläufe ggf. gestört. Darüber hinaus fallen irgendwann Verschrottungskosten für das Verschrotten von nicht mehr benötigten Ersatzteilen an. Das bislang praktizierte Prozedere führt natürlich auch zu einer schlechten Umweltbilanz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem eine Komponente eines Feldgeräts zeitnah und kostengünstig zur Verfügung gestellt wird.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit folgenden Verfahrensmerkmalen gelöst:
das Material und/oder die Struktur und/oder die Form der Komponente werden/wird anhand von digitalen Beschreibungsdaten vorgegeben,
die Komponente wird entsprechend den vorgegebenen digitalen Beschreibungsdaten in einem 3D Druckverfahren hergestellt. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist zu beachten, dass unter den Begriff “3 D Druckverfahren“ alle generativen Fertigungsverfahren zu subsumieren sind.
Bevorzugt werden die digitalen Beschreibungsdaten folgendermaßen gewonnen:
Vorgeben von zumindest einer strukturbedingten und/oder materialbedingten Randbedingung der Komponente und/oder von einer die Funktionalität der Komponenten betreffenden Randbedingung und/oder von zumindest einer äußeren Randbedingung, die den Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Komponente am Einsatzort berücksichtigt;
Optimieren der Struktur der Komponente unter Beachtung der zumindest einen strukturbedingten und/oder materialbedingten Randbedingung und/oder der zumindest einen die Funktionalität der Komponente betreffenden Randbedingung und/oder der zumindest einen Umgebungsbedingung über ein Finite Elemente Modell, wobei die optimierte Struktur der Komponente durch die digitalen Beschreibungsdaten beschrieben wird.
Übergeben der digitalen Beschreibungsdaten, die die optimierte Struktur der Komponente beschreiben, an einen 3D Drucker; Drucken der Komponente entsprechend den digitalen Beschreibungsdaten.
Liegen die Beschreibungsdaten vor, so wird die entsprechende Komponente von dem Hersteller oder dem Vertreiber des Feldgeräts hergestellt und dem Betreiber des Feldgeräts zugeschickt. Alternativ erfolgt der 3D Druck der Komponente beim Betreiber des Feldgeräts bzw. beim Kunden. Insbesondere werden die Beschreibungsdaten dem Betreiber kostenpflichtig zur Verfügung gestellt, z.B. über einen Internet Zugang. Der Betreiber der Anlage nimmt somit eine Lizenz und druckt die Komponenten vor Ort.
Zusammenfassend gesagt, stellt der Feldgerätehersteller erfindungsgemäß insbesondere im Ersatzteilgeschäft keine Komponenten mehr zur Verfügung sondern digitale Beschreibungsdaten, die einem 3D Drucker klare Vorgaben machen, wie die Komponente gedruckt werden soll. Hierbei ist die Auflösung der Struktur der Komponente auf das Auflösungsvermögen des 3-D Druckers abgestimmt, bzw. das Auflösungsvermögen des 3D Druckers ist so zu wählen, dass die Komponente mit der geforderten Auflösung gedruckt werden kann.
Zur Anwendung kommen die bekannten generativen Fertigungsverfahren bzw. 3D Druckverfahren. Wird als Material zumindest ein Metall oder zumindest ein Kunststoff eingesetzt, dann kommt bevorzugt ein selektives Laserschmelzen bzw. ein selektives Lasersintern zum Einsatz. Wird als Material zumindest ein Metall eingesetzt, so kann als generatives Fertigungsverfahren für das zumindest eine Metall das Laserauftragsschweißen oder das Metall-Pulver-Auftragsverfahren (MPA) verwendet werden. Wird als Material zumindest ein Kunststoff eingesetzt, so kann als generatives Fertigungsverfahren für den zumindest einen Kunststoff das Fused Deposition Modeling oder das Multi Jet Modeling oder das Arburg Kunststoff-Freiformen (AKF) verwendet werden. Handelt es sich bei dem Material um zumindest eine Keramik, so wird als generatives Fertigungsverfahren für Keramik das Color Jet Printing (CJP) verwendet. Es versteht sich von selbst, dass eine Komponente aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann, die in einem generativen Fertigungsprozess gemeinsam verarbeitet werden. Auch ist es möglich, das Material über einen generativen Fertigungsprozess bzw. einen 3D Druckprozess mit einer geeigneten Porosität zu versehen. In einer am selben Anmeldetag mit der vorliegenden Patentanmeldung eingereichten Patentanmeldung DE 10 2014 114 016.8 der Anmelderin ist ein entsprechendes Verfahren beschrieben. Insbesondere sind in der parallelen Patentanmeldung auch Ausführungsbeispiele für den Bereich der Automatisierungstechnik genannt. Der Offenbarungsgehalt dieser parallelen Patentanmeldung ist dem Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung explizit hinzuzurechnen.
Feldgeräte in der Automatisierungstechnik müssen ggf. vorgegebene Sicherheitsanforderungen erfüllen. Daher ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das zumindest eine Material, das von dem 3D Drucker gedruckt wird, und/oder der zumindest eine 3D Drucker zertifiziert sind/ist. Durch die Zertifizierung erlangt die Komponente die Zulassung für den Einsatz in der Automatisierungstechnik.
Bei der über das 3D Druckverfahren gefertigten Komponente handelt es sich bevorzugt um ein Ersatzteil, ein Verschleißteil oder ein Umbauteil für ein Feldgerät. Ebenso kann es sich bei der Komponente auch um eine Sonderanfertigung handeln.
Um sicherzustellen, dass die digitalen Beschreibungsdaten inklusive der Zertifizierungsvoraussetzungen von dem Hersteller der Feldgeräte oder von einem autorisierten Vertreter stammen, ist im Bereich des Verbindungsteils der Komponente mit einem korrespondierenden Verbindungsteil des Feldgeräts eine Codierung vorgesehen. Diese Codierung kann länder-, geräte-parameter- und/oder kundenspezifisch ausgestaltet sein. Bevorzugt ist die Codierung einzigartig ausgestaltet, so dass die Komponente nur in Verbindung mit dem z.B. durch eine eindeutige Seriennummer identifizierbaren Feldgerät verwendbar ist. Beispielsweise handelt es sich bei der Codierung um eine mechanische Schlüssel-Schloss-Codierung mit z.B. unterschiedlich platzierten Passstiften, die unterschiedliche Formen und/oder unterschiedliche Längen aufweisen.
Nachfolgend sind einige Beispiele für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigte Komponenten aus dem Bereich der Automatisierungstechnik genannt:

– eine freiabstrahlende Antenne für ein auf dem Laufzeitprinzip basierendes Radarmessgerät, wobei die Antenne aus einem leitfähigen Material einen Einsatz oder Aufsatz aus einem nicht-leitfähigen Material aufweist,
– eine Komponente mit einer Dichtung, wobei Komponente und Dichtung bevorzugt aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind,
– eine Durchführung aus Kunststoff, Keramik oder Glas für elektrische Leitungen mit integrierten elektrischen Leitungen,
– ein Elektronikgehäuse aus Kunststoff, in das eine EMV-Abschirmung, eingelagert ist,
– ein Sensorbett mit einer Trennmembran für ein Drucksensorelement,
– eine mit dem Medium in Kontakt kommende Komponente des Feldgeräts, die im Oberflächenbereich eine Schutzbeschichtung aufweist,
– eine mit dem Medium in Kontakt kommende Komponente des Feldgeräts, die im Oberflächenbereich eine biozid wirkende Beschichtung aufweist,
– ein Flansch oder eine Verlängerungskomponente.

Noch eine Anmerkung zu dem Drucksensorelement, bestehend aus Sensorbett und spaltfrei gedruckter Trennmembran. Entweder werden beide Komponenten in einem Druckprozess gleichzeitig erstellt, oder es wird zuerst das beliebig komplexe Sensorbett und anschließend die Trennmembran in den Randbereich des Sensorbettes gedruckt. In beiden Fällen weist die Komponente keinen Fügespalt auf. Daher zeigt ein entsprechendes im 3D Druckverfahren hergestelltes Drucksensorelement keine Hysterese. Bei herkömmlichen Fertigungsverfahren ist die Fügestelle vorhanden, und der Hystereseproblematik muss Rechnung getragen werden.
Die zuvor beispielhaft genannten Komponenten von Feldgeräten werden von Firmen der E + H Gruppe entweder in Feldgeräten integriert oder als Einzelkomponenten angeboten und vertrieben.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
1: ein Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2: ein Ablaufdiagramm, das die Gewinnung der Beschreibungsdaten schematisch wiedergibt.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht. Unter Punkt 1 wird das Verfahren gestartet. Unter Punkt 2 wird die benötigte Komponente spezifiziert. Entweder wird hierbei auf die Seriennummer des entsprechenden Feldgeräts Bezug genommen, oder die Komponente wird direkt über eine gesondert zugeordnete Ersatzteilnummer charakterisiert. Durch eine entsprechende z.B. mechanische Kodierung wird dem unerlaubten Nachbau der Komponente ein Riegel vorgeschoben. Die Anforderung der Komponente erfolgt bevorzugt per Email oder über einen Internetzugriff und einen Kunden-Account beim Feldgerätehersteller.
Unter Punkt 3 werden vom Feldgerätehersteller oder einem autorisierten Vertreter die digitalen Beschreibungsdaten der Komponente bereitgestellt. Unter Punkt 4 wird die Komponente mittels der digitalen Beschreibungsdaten gedruckt. Der 3D Druck erfolgt entweder auf der Hersteller- oder Lieferantenseite oder Vorort beim Betreiber der Anlage, also beim Kunden.
Unter Punkt 5 wird die im 3D Druck erstellte Komponente in das Feldgerät integriert bzw. an das Feldgerät angebaut.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm, das die Gewinnung der digitalen Beschreibungsdaten schematisch wiedergibt. Nach dem Start des Programms unter Punkt 10 werden unter Punkt 20 für die FEM Modellierung notwendige Informationen vorgegeben. Im gezeigten Fall sind dies die Umgebungsparameter Temperatur und Druck, denen die Komponente am Einsatzort des Feldgeräts ausgesetzt ist. Hierbei ist prinzipiell zu beachten, dass die Kosten für die Materialien umso höher sind, je höher die Anforderungen an die Temperatur- und Druckbeständigkeit sind. In vielen Fällen ist es wichtig, darüber hinaus die Abmessungen der Komponente zumindest grob vorzugeben. Wichtig bei der Simulation der Komponente ist dann natürlich, welche Funktion die Komponente erfüllen soll. Es versteht sich von selbst, dass bei einmaliger Generierung der digitalen Beschreibungsdaten diese nachfolgend für den 3D Druck beliebig vieler Komponenten verwendet werden können. Je nach Anwendung kann es auch ausreichend sein, die äußere Form und die entsprechenden Abmessungen vorzugeben, z.B. bei einem Flansch.
Anhand der vorgegebenen Informationen wird bei den Programmpunkten 30, 40 über ein FE Modell eine optimierte Struktur der Komponente errechnet. Die optimierte Struktur der Komponente wird durch digitale Beschreibungsdaten beschrieben. Die Erstellung der optimierten Struktur erfolgt insbesondere in dem Fall, dass der Kunde spezielle Anforderungen an die Komponente stellt. Die digitalen Beschreibungsdaten werden bei Programmpunkt 50 an einen 3-D Drucker übergeben, der die Komponente bei Programmpunkt 60 entsprechend den digitalen Daten druckt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014114016 [0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer kundenspezifischen Komponente eines Feldgeräts zur Bestimmung oder Überwachung zumindest einer Prozessgröße eines Mediums, wobei das Feldgerät in einem Prozess der Automatisierungstechnik eingesetzt wird, wobei die Komponente aus zumindest einem Material gefertigt wird, wobei das Material und, die Struktur und/oder die Form der Komponente anhand von digitalen Beschreibungsdaten vorgegeben wird, und wobei die Komponente entsprechend den vorgegebenen digitalen Beschreibungsdaten in einem 3D Druckverfahren bzw. in einem generativen Fertigungsverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch, wobei die digitalen Beschreibungsdaten bevorzugt folgendermaßen gewonnen werden: Vorgeben von zumindest einer strukturbedingten und/oder materialbedingten Randbedingung der Komponente und/oder von einer die Funktionalität der Komponenten betreffenden Randbedingung und/oder von zumindest einer äußeren Randbedingung, die den Einfluss der Umgebungsbedingungen auf die Komponente am Einsatzort berücksichtigt; Optimieren der Struktur der Komponente unter Beachtung der zumindest einen strukturbedingten und/oder materialbedingten Randbedingung und/oder der zumindest einen die Funktionalität der Komponente betreffenden Randbedingung und/oder der zumindest einen Umgebungsbedingung über ein Finite Elemente Modell, wobei die optimierte Struktur der Komponente durch die digitalen Beschreibungsdaten beschrieben wird. Übergeben der digitalen Beschreibungsdaten, die die optimierte Struktur der Komponente beschreiben, an einen 3D Drucker; Drucken der Komponente entsprechend den digitalen Beschreibungsdaten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Komponente von dem Hersteller oder dem Vertreiber des Feldgeräts hergestellt und dem Betreiber des Feldgeräts bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschreibungsdaten zur Herstellung der Komponenten von dem Hersteller bzw. dem Vertreiber des Feldgeräts bereitgestellt werden und wobei das 3D Druckverfahren vor Ort beim Betreiber des Feldgeräts durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1–4, wobei als Material zumindest ein Metall oder zumindest eine Kunststoff eingesetzt wird und wobei als 3D Druckverfahren ein selektives Laserschmelzen bzw. ein selektives Lasersintern verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–5, wobei als Material zumindest ein Metall eingesetzt wird und wobei als generatives Fertigungsverfahren für das zumindest eine Metall das Laserauftragsschweißen oder das Metall-Pulver-Auftragsverfahren (MPA) verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–6, wobei als Material zumindest ein Kunststoff eingesetzt wird und wobei als 3D Druckverfahren für den zumindest einen Kunststoff das Fused Deposition Modeling oder das Multi Jet Modeling verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–6, wobei als Material zumindest eine Keramik eingesetzt wird und wobei als 3D Druckverfahren für Keramik das Color Jet Printing (CJP) verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–8, wobei das zumindest eine Material und/oder der zumindest eine 3D Drucker zertifiziert werden/wird, so dass er/sie zur Herstellung einer material- und/oder druckbeaufschlagten Komponente geeignet ist.
Komponente für ein Feldgerät der Automatisierungstechnik, das nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–9 gefertigt ist, wobei es sich bei der Komponente um ein Ersatzteil, ein Verschleißteil oder ein Umbauteil für ein Feldgerät handelt.
Komponente nach Anspruch 10, wobei im Bereich des Verbindungsteils der Komponente mit einem korrespondierenden Verbindungsteil des Feldgeräts eine Codierung vorgesehen ist.
Komponente nach Anspruch 11, wobei die Codierung länder-, geräte-parameter- und/oder kundenspezifisch ausgestaltet ist.
Komponente nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Codierung einzigartig ausgestaltet ist, so dass die Komponente nur in Verbindung mit dem insbesondere durch eine eindeutige Seriennummer identifizierbaren Feldgerät verwendbar ist.
Komponente nach einem der Ansprüche 11–13, wobei es sich bei der Codierung um eine mechanische Schlüssel-Schloss-Codierung handelt.
Komponente nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 9–14, wobei die Komponente aus zumindest zwei unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt ist.
Komponente nach Anspruch 15, wobei es sich bei der Komponente insbesondere handelt um – eine freiabstrahlende Antenne für ein auf dem Laufzeitprinzip basierendes Radarmessgerät, wobei die Antenne aus einem leitfähigen Material einen Einsatz oder Aufsatz aus einem nicht-leitfähigen Material aufweist, – eine Komponente mit einer Dichtung, wobei Komponente und Dichtung bevorzugt aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind, – eine Durchführung aus Kunststoff, Keramik oder Glas für elektrische Leitungen mit integrierten elektrischen Leitungen, – ein Elektronikgehäuse aus Kunststoff, in das eine EMV-Abschirmung, eingelagert ist, – eine mit dem Medium in Kontakt kommende Komponente des Feldgeräts, die im Oberflächenbereich eine Schutzbeschichtung aufweist, – eine mit dem Medium in Kontakt kommende Komponente des Feldgeräts, die im Oberflächenbereich eine biozid wirkende Beschichtung aufweist.