DE102017100170A1

DE102017100170A1 - Method and device for exact volume control of the material supply and process monitoring in 3D printing with material supply in wire form

Info

Publication number: DE102017100170A1
Application number: DE102017100170.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2018-02-08

Abstract

Verfahren zur Erstellung 3-dimensionaler Werkstücke mit einem 3D-Druckverfahren, bei dem das Werkstück durch Auftragen eines thermoplastischen Werkstoffs aufgebaut wird, bei dem der Rohstoff in Form von Werkstoffdraht (Filament) zugeführt wird dadurch gekennzeichnet, dass – dass der exakte Volumenstrom des zugeführten Filaments während dem Druckvorgang von der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen wird, um damit Durchmesserschwankungen und Rundheitsabweichunen des Filaments und Schlupfverluste im Längenvorschub auszugleichen. – die Vorrichtung zur Messung von Filamentdurchmesser und Längenvorschub berührunglos die Daten an die Maschinensteuerung übermittelt, wo daraus notwendige Korrekturen zur Filamentvorschubeinrichtung berechnet und korrigiert werden, so dass die gewünschte Volumenzufuhr des Extruders geregelt werden kann. – die Vorrichtung Fehler wie Filamentbruch, Filamentstau und -verdickungen feststellt und der Maschinensteuerung übermittelt.Method for producing 3-dimensional workpieces with a 3D printing process, in which the workpiece is constructed by applying a thermoplastic material in which the raw material in the form of filament material is supplied, characterized in that - that the exact volume flow of the supplied filament during the printing process is measured by the device according to the invention in order to compensate for diameter fluctuations and roundness deviations of the filament and slip losses in the length advancement. - The device for measuring filament diameter and length feed contactlessly transmits the data to the machine control, where it necessary corrections to the filament feed device are calculated and corrected, so that the desired volume flow of the extruder can be controlled. - The device detects errors such as filament breakage, filament jam and thickening and transmitted to the machine control.

Description

ANWENDUNGSGEBIET FIELD OF USE

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a method and a device according to the preamble of claim 1.

TECHNISCHER HINTERGRUND TECHNICAL BACKGROUND

Das Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet ein Fertigungsverfahren aus dem Bereich des Rapid Prototyping, mit dem ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Werkstoff aufgebaut wird. Der Werkstoff wird in Form von Werkstoffdraht, dem sogenannten Filament, zugeführt. Fused Filament Fabrication (FFF) refers to a rapid prototyping process used to build a workpiece layer by layer from a meltable material. The material is supplied in the form of material wire, the so-called filament.

Dieses Filament wird mittels Vorschubrad in eine beheizte Düse mit Schmelzkammer geschoben und erzeugt dadurch einen Druck und einen Volumenvorschub in der Schmelzekammer der Düse. Der entstehende Druck in der Düse wird genutzt, um genau definierte Volumenmengen durch den Düsenauslass zu pressen. Der Düsenauslass ist deutlich kleiner als der Filamentdurchmesser und erzeugt so einen Faden, der definiert abgelegt nach Werkstückkontur dann die einzelnen Schichten des Werkstücks bildet. This filament is pushed by means of feed wheel in a heated nozzle with melting chamber and thereby generates a pressure and a volume feed in the melt chamber of the nozzle. The resulting pressure in the nozzle is used to press precisely defined volumes through the nozzle outlet. The nozzle outlet is significantly smaller than the filament diameter and thus produces a thread which, defined according to workpiece contour, then forms the individual layers of the workpiece.

Dieser Faden wird in einer ovalen Form abgelegt, die Höhe des Ovals entspricht der Schichthöhe und wird unten begrenzt durch die vorige Schicht des Werkstücks und oben durch die auftragende Düse. This thread is deposited in an oval shape, the height of the oval corresponds to the layer height and is bounded below by the previous layer of the workpiece and above by the applying nozzle.

Die Breite des Ovals ist deutlich größer als die Höhe des Ovals und wird definiert durch den Volumenstrom aus der Düse relativ zur Verfahrgeschwindigkeit des 3D-Druckers. The width of the oval is significantly larger than the height of the oval and is defined by the volume flow from the nozzle relative to the travel speed of the 3D printer.

Hier liegt beim Stand der Technik ein Problem der Dosierbarkeit dieses Volumenstroms. Das Filament wird nach einer durch Software berechneten Länge relativ zum gewünschten Volumenstrom am Düsenausgang in genau definierten Filament-Vorschublängen in die Düse geschoben. Dies erfolgt durch einen sehr genauen Antriebsmotor mittels gerändeltem Vorschubrad und Anpressdruck auf das Filament. Dieser Vorschubmotor ist in der Lage, bis zu hunderstel Millimeter genaue Filament-Vorschübe und den nötigen Druck für den Druckvorgang zu erzeugen. Here is a problem in the prior art, the metering of this volume flow. The filament is pushed into the nozzle at a precisely calculated filament feed length after a length calculated by software relative to the desired volume flow at the nozzle exit. This is done by a very accurate drive motor by means of knurled feed wheel and contact pressure on the filament. This feed motor is capable of producing accurate filament feeds up to a hundredth of a millimeter and the necessary pressure for printing.

Diese Volumenberechnung der Software geht allerdings von einem absolut runden und maßgenauen Filament und von einer schlupffreien Vorschubübertragung vom Antriebsrad auf das Filament aus. However, this volume calculation of the software assumes a completely round and dimensionally accurate filament and a slip-free feed transfer from the drive wheel to the filament.

Beide Voraussetzungen sind in der Realität nicht in einem wünschenswerten Maß erreichbar. Both conditions are not achievable in reality to a desirable degree.

Filamente können nicht in einer hinreichend großen Genauigkeit in Bezug auf Rundheit und Maßhaltigkeit produziert werden, was dazu führt, dass der Volumenstrom aus dem Düsenauslaß ebenfalls Toleranzen erfährt. Diese sind dadurch, dass der Düsenauslass deutlich kleiner ist als das zugeführte Filament, proportional größer. Dies führt beim Fadenauftrag zu größeren Toleranzen in der Fadenbreite, was direkt in einer Maßungenauigkeit des Werkstücks resultiert. Filaments can not be produced with sufficient accuracy in terms of roundness and dimensional stability, which results in the volume flow from the nozzle outlet also being tolerated. These are characterized in that the nozzle outlet is significantly smaller than the supplied filament, proportionally larger. This leads to larger tolerances in the thread width during the application of the thread, which results directly in a dimensional inaccuracy of the workpiece.

Durch einen zusätzlichen Schlupf beim Filamentvorschub wird ein zusätzlicher Fehler induziert, indem weniger Volumen in der Schmelzkammer ankommt als berechnet, was damit zusätzlich zu einem zu geringen Volumenausstoß aus der Düse führt. An additional slip in the filament feed induces an additional error in that less volume arrives in the melt chamber than calculated, which in addition leads to a low volume output from the nozzle.

Diese Fehler werden mit der Erfindung auf ein Minimum reduziert und die Dosierbarkeit wird sehr exakt, dies führt zu massgenaueren Werkstücken mit einer gleichmäßigeren Rillung der Oberfläche und damit zu einer besseren Oberflächenqualität. These errors are reduced to a minimum with the invention and the metering is very accurate, this leads to mass-precision workpieces with a more uniform grooving of the surface and thus to a better surface quality.

Gleichzeitig besteht beim Stand der Technik ein großes Problem dadurch, dass bei Problemen wie zum Beispiel Verstopfung das Filamentantriebsrad durchdreht. Des Weiteren kann derzeit nicht erkannt werden, ob die Filament-Durchmesser die von der Maschine verarbeitbaren Maße überschreitet (Knotenförmige Verdickungen oder Dünnstellen). At the same time, there is a major problem with the prior art in that, in the event of problems such as clogging, the filament drive wheel is spinning. Furthermore, it is currently not possible to determine whether the filament diameter exceeds the dimensions that can be processed by the machine (nodular thickening or thinning).

Diese Fehler, die von der Maschinensteuerung ohne Detektion von Filament-Vorschubgeschwindigkeit und Durchmessermessung nicht erfasst werden kann, erzeugen einen fehlerhaften Fertigungsprozess oder Druckabbruch. These errors, which can not be detected by the machine controller without detection of filament feed rate and diameter measurement, create a faulty manufacturing process or pressure abort.

Mit der hier beschriebenen Erfindung ist es damit möglich, die Prozess-Sicherheit zu erhöhen, Fehler bei der Materialzufuhr an die Steuerung zu übertragen und damit Maßnahmen zur Behebung einzuleiten. Ebenfalls wird Filamentbruch und -ende zuverlässig detektiert und der Druckprozess wird dagegen ebenfalls abgesichert, indem dann eine Meldung an die Maschinensteuerung generiert wird und Maßnahmen eingeleitet werden können. With the invention described here, it is thus possible to increase the process safety, to transmit errors in the supply of material to the controller and thus initiate measures to remedy. Likewise, filament breakage and end is reliably detected and the printing process is also secured by then generating a message to the machine control and action can be taken.

Weiterhin ist es möglich, über den gesamten Druckprozess die zugeführten Werkstoffmengen je Zeiteinheit zu protokollieren. Furthermore, it is possible to record the quantities of material supplied per time unit over the entire printing process.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG PRESENTATION OF THE INVENTION

TECHNISCHE AUFGABE TECHNICAL TASK

Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, das genaue Volumen des zugeführten Werkstoffs zu messen, sowohl bezüglich tatsächlich zugeführter Filamentlänge als auch Durchmesser- und Rundheitsmessung des Filaments. Diese Messung wird direkt an die 3D-Druckersteuerung weiter gegeben und dort korrigiert, was in einem korrigierten Filamentvorschub bezogen auf die ermittelten Werte resultiert. It is therefore the object of the invention to measure the exact volume of material fed, both in terms of actual filament length and diameter and roundness measurement of the filament. This measurement is passed on directly to the 3D printer controller and corrected there, resulting in a corrected filament feed based on the determined values.

LÖSUNG DER AUFGABE SOLUTION OF THE TASK

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem 3D-Drucker mit einem Druckkopf bzw. einer Extruderdüse der eingangs genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved, starting from a 3D printer with a print head or an extruder nozzle of the type mentioned, by the characterizing features of claim 1.

Es wird direkt vor dem Einlaß des Filament in den Filamentvorschub eine berührungslose Vermessung des Durchmessers in 2 Achsen durchgeführt und eine berührunglose Längenmessung des zugeführten Filaments pro Zeiteinheit. A non-contact measurement of the diameter in 2 axes is carried out directly in front of the inlet of the filament into the filament feed and a contactless length measurement of the fed filament per unit time.

Für die Durchmesserkorrektur wird beispielsweise ein zweiachsig messender hochpräziser Laser-Mikrometer verwendet, der den Durchmesser aus 2 Achsen vermisst und die Ergebnisse an die Druckersteuerung zur Verrechnung liefert. Damit können auch Unrundheit erkannt und kompensiert werden. For the diameter correction, for example, a biaxially measuring high-precision laser micrometer is used which measures the diameter of 2 axes and supplies the results to the printer controller for offsetting. This also roundness can be detected and compensated.

Für die Längenmessung pro Zeiteinheit wird ein berührungsloser Sensor für Längen- und Geschwindigkeitsmessung beispielsweise auf Laserbasis eingesetzt. For the length measurement per time unit, a non-contact sensor for length and speed measurement is used, for example on a laser basis.

In der Druckersteuerung werden die erhaltenen Messungen in Echtzeit in das tatsächlich zugeführte Volumen pro Zeiteinheit umgerechnet, mit den Sollwerten abgeglichen und ebenfalls in Echtzeit korrigiert. In the printer control, the measurements obtained are converted in real time into the actually supplied volume per time unit, compared with the desired values and also corrected in real time.

Damit wird eine hohe Genauigkeit des Volumenausstoßes der Düse erreicht, dies führt zu klar definierten Faden-Abmessungen am Austritt der Düse, was zu deutlich höheren Genauigkeiten des Druckkörpers und gleichmäßigeren Oberflächen der Schichtung führt. Thus, a high accuracy of the volume output of the nozzle is achieved, this leads to well-defined thread dimensions at the outlet of the nozzle, which leads to significantly higher accuracies of the pressure hull and more uniform surfaces of the stratification.

Die Längenkontrolle pro Zeiteinheit wird in einen Soll-Ist-Vergleich in der Druckersteuerung überführt, um die Prozess-Sicherheit in Bezug auf Verstopfung und damit Filamentstau und auch Filamentbruch und Filamentende (keine Messung mehr) an die Maschinensteuerung zu melden und damit Prozess-Sicherheit erreichen und Maßnahmen seitens Maschinensteuerung oder Bedienungspersonal einzuleiten. The length control per unit of time is converted into a target-actual comparison in the printer control in order to report the process reliability with regard to clogging and thus filament jamming and also filament breakage and filament end (no more measurement) to the machine control and thus achieve process safety and to initiate measures by the machine control or operating personnel.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben: Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are described in more detail below:

Es zeigen: Show it:

1 perspektivische Ansicht der Vorrichtung für die Messung von Durchmesser und Längenvorschub 1 perspective view of the device for the measurement of diameter and length feed

2 Schnittansicht der Vorrichtung für die Messung von Durchmesser und Längenvorschub 2 Sectional view of the device for the measurement of diameter and length feed

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Filament filament
2 2: Extruder extruder
3 3: Werkstück workpiece
4 4: Durchmesser-Meßgerät Diameter gauge
5 5: Längen-/Geschwindigkeits-Meßgerät Length / speed meter
6 6: Düse jet
7 7: Schmelzekammer melt chamber
8 8th: Extrudervorschub extruder feed
9 9: Anpressrolle pressure roller

1 zeigt die perspektivische Schnittdarstellung der beispielhaften Ausführung. Von oben wird das Filament (1) zugeführt. Es läuft beim Druckprozess durch das Durchmesser-Meßgerät (4) und das Längen-/Geschwindigkeits-Meßgerät (5). 1 shows the perspective sectional view of the exemplary embodiment. From above, the filament ( 1 ). It runs through the diameter measuring device during the printing process ( 4 ) and the length / speed measuring device ( 5 ).

Darunter ist der Extruder (2) beispielhaft dargestellt, der mittels Extrudervorschub (8) und Anpressrolle (9) den Vorschub des Filaments (1) in die Düse des Extruders (6) und damit zum Auftrag auf das Werkstück (3) fördert. Underneath is the extruder ( 2 ), which by means of extruder feed ( 8th ) and pressure roller ( 9 ) the feed of the filament ( 1 ) into the nozzle of the extruder ( 6 ) and thus to the order on the workpiece ( 3 ) promotes.

2 stellt die Schnittansicht zum Vorgang dar, hier ist die Schmelzekammer (7) und die Düse (6) mit Auslaßöffnung dargestellt, sowie der Auftrag auf das Werkstück (3). 2 represents the sectional view to the process, here is the melting chamber ( 7 ) and the nozzle ( 6 ) with outlet opening, as well as the order on the workpiece ( 3 ).

Claims

Method for producing 3-dimensional workpieces with a 3D printing process, in which the workpiece is constructed by applying a thermoplastic material in which the raw material in the form of filament material is supplied, characterized in that - that the exact volume flow of the supplied filament during the printing process is measured by the device according to the invention in order to compensate for diameter fluctuations and roundness deviations of the filament and slip losses in the length advancement. - The device for measuring filament diameter and length feed contactlessly transmits the data to the machine control, where it necessary corrections to the filament feed device are calculated and corrected, so that the desired volume flow of the extruder can be controlled. - The device detects errors such as filament breakage, filament jam and thickening and transmitted to the machine control.