DE102017208497A1

DE102017208497A1 - Verfahren zum Vorbereiten eines Drucks eines dreidimensionalen Bauteils sowie System

Info

Publication number: DE102017208497A1
Application number: DE102017208497.9A
Authority: DE
Inventors: Aleksandr Kazakov; Thomas Bettermann
Original assignee: Homag Bohrsysteme GmbH
Current assignee: Homag Bohrsysteme GmbH
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2018-11-22
Also published as: WO2018211010A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zum Vorbereiten eines Drucks eines dreidimensionalen Bauteils, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Durchführen eines Slicing-Prozesses, wobei ein dreidimensionales CAD-Modell eines zu erzeugenden Bauteils in eine Vielzahl von Schichten aufgeteilt wird, Erstellen von Schicht-Gruppen, die zumindest eine Schicht aufweisen, und Erstellen von separaten Maschinencodes die den einzelnen Schicht-Gruppen zugewiesen sind, wobei es sich bei den Maschinencodes bevorzugt um NC-Maschinencodes handelt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten eines Drucks eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere eines plattenförmigen oder dreidimensional geformten Werkstücks, das zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Holzersatzwerkstoffen, Kunststoffen oder dergleichen besteht. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System, das insbesondere zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird.
Das Verfahren sowie das System der vorliegenden Erfindung kommen insbesondere im Bereich der Möbel- und Bauelementeindustrie zum Einsatz. Bei den genannten Werkstücken handelt es sich bevorzugt um komplette Möbelteile oder um dreidimensionale Bauteile die gegebenenfalls mit plattenförmigen Werkstücken kombiniert werden.
Stand der Technik
Im Bereich der Möbel- und Bauelementeindustrie gibt es kundenseitig den Wunsch nach immer individuelleren Produkten, was im Bereich der Herstellung der jeweiligen Produkte zu immer kleineren Losgrößen sowie kürzeren Produktionszyklen führt. Dies macht oftmals den Einsatz von etablierten Produktionsverfahren aus Flexibilitätsgründen sowie wirtschaftlichen und planungstechnischen Gesichtspunkten unpraktikabel.
Aus den genannten Gründen wird in jüngster Zeit oftmals auf das sogenannte 3D-Druckverfahren (bspw. Schmelzschichtverfahren) zurückgegriffen, um Werkstücke kundenspezifisch herzustellen.
Hierbei ist ein 3D-Drucker (Digital Fabricator, Fabber) ein Gerät zur Erzeugung von dreidimensionalen Gegenständen aus CAD- oder anderen Modelldaten. Bei bekannten 3D-Druckern wird ein Gegenstand durch sukzessives Hinzufügen oder Auftragen von Material (z.B. schnell härtende Kunststoffe) erzeugt.
Bei bekannten 3D-Druckverfahren wird ein gewünschtes Objekt (zu fertigendes Bauteil) vor dem eigentlichen Herstellungsprozess einem „Slicing-Prozess“ unterzogen. Hierbei wird ein am Computer generiertes Modell des Objekts, insbesondere ein 3D-CAD-Modell als Vorbereitung für den 3D-Druck in einzelne Schichten zerlegt, das sogenannte „Slicing“. Entsprechend wird in der Regel wie in 1 veranschaulicht, das CAD-Modell 100 in eine Vielzahl von horizontalen Ebenen 101 aufgeteilt oder geschnitten. Die Dicke der einzelnen Ebenen 101 hängt hierbei von der mittels des 3D-Druckers realisierbaren Schichtdicke ab, wobei jedoch auch dickere Schichten gedruckt werden können. Die Schichtdicke wiederum ist hauptsächlich von dem zu verarbeitenden Material, also dem Druckmaterial, abhängig.
Das erzeugte Schichtenmodell wird anschließend in einen NC-Maschinencode konvertiert, in dem für jede einzelne Schicht die X-, Y-, Z-Koordinaten, die vom Werkzeug oder dem Druckkopf des 3D-Druckers, angefahren werden müssen, um das am Computer generiete 3D-CAD-Modell in ein reales Werkstück umzusetzen.
Nach Erstellen des NC-Maschinencodes wird dieser in einen 3D-Drucker oder in eine Bearbeitungsvorrichtung mit 3D-Druck-Fähigkeit eingelesen und das Werkstück entsprechend realisiert oder gefertigt.
Während des Durchführens des 3D-Druckverfahren können jedoch aufgrund von diversen Einflussgrößen Abweichungen von den Sollwerten des gewünschten Werkstücks auftreten. Aufgrund der Abweichungen ist eine konstante Druckqualität oft nur schwer möglich und der Druck muss gegebenenfalls abgebrochen und neu gestartet werden, wodurch die Ausschussquote oftmals relativ hoch liegt. Dies führt zu unerwünscht hohen Fertigungskosten sowie Fertigungszeiten.
Bei den möglichen Abweichungen kann es sich beispielsweise um eine Abweichung der Bauteilhöhe handeln, welche sich im fortlaufenden Prozess, d.h. während des Auftragens der einzelnen Schichten oder der nachfolgenden Schichten, verstärken kann. Dies kann dazu führen, dass der Abstand zwischen der zu bedruckenden Schicht und der Düse des Druckkopfs des 3D-Druckers nicht mehr optimal ist, was wiederum zur Folge haben kann, dass das Bauteil nicht mehr in der notwendigen oder vorgeschriebenen Qualität hergestellt werden kann.
Gegenstand der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Vorbereiten eines Drucks eines dreidimensionalen Bauteils bereitzustellen, mit dem auf einfache und kostengünstige Weise Fehler, die während der Herstellung des Bauteils entstehen, erkannt und ausgebessert werden können, ohne den Druckvorgang von neu starten zu müssen. Des Weiteren soll ein System bereitgestellt werden, das insbesondere dazu eingerichtet ist, dass erfindungsgemäße Verfahren umzusetzen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 ein System nach Anspruch 13 sowie eine Verwendung nach Anspruch 20. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben, wobei der Gegenstand der das System(e) betreffenden abhängigen Ansprüche im Rahmen des Verfahrens, der Korrektursteuerung sowie der Verwendung zum Einsatz kommen kann, und umgekehrt.
Ein Gedanke der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie ein System zum Vorbereiten eines Drucks eines dreidimensionalen Bauteils bereitzustellen, bei denen nach einem Slicing-Prozess, in dem ein dreidimensionales CAD-Modell eines zu erzeugenden Bauteils in eine Vielzahl von Schichten aufgeteilt wurde, Schicht-Gruppen erstellt werden, wobei die erstellten Schicht-Gruppen zumindest eine Schicht umfassen, und anschließend für die einzelnen Schicht-Gruppen separate Maschinencodes erstellt werden.
Mittels dem vorgeschlagenen Verfahren oder dem vorgeschlagenen System ist es auf einfache Weise möglich, separate Maschinencodes zu erstellen, die es einer die Maschinencodes umsetzenden Bearbeitungsvorrichtung ermöglicht, zwischen den einzelnen Schicht-Gruppen eine Überprüfung des bis zu der Überprüfung erzeugten Bauteils vorzunehmen. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass ein vollständiges Bauteil gedruckt wird, obwohl bereits am Anfang des Drucks ein Fehler, wie z.B. Lufteinschluss aufgrund von Materialmangel, aufgetreten ist, und dieser erst bei einer Überprüfung des fertiggestellten Bauteils erkannt wird. Somit ist es möglich, den Ausschuss an Fehlteilen zu reduzieren und gleichzeitig die Produktivität der Bearbeitungsvorrichtung zu erhöhen, da diese nicht unnötig mit der Herstellung eines Produkts belegt wird, welches bereits im frühen Stadium des Drucks einen Produktionsmangel aufwies.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren zum Vorbereiten eines Drucks eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere eines plattenförmigen oder eines dreidimensional geformten Werkstücks, das bevorzugt zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Holzersatzwerkstoffen, Kunststoffen, gefüllten Kunststoffen, beispielsweise mit Holz oder Keramik gefüllten Kunststoffen oder dergleichen besteht, die Schritte auf:

Durchführen eines Slicing-Prozesses, wobei ein dreidimensionales CAD-Modell eines zu druckenden Bauteils in eine Vielzahl von Schichten aufgeteilt wird,
Erstellen von Schicht-Gruppen, die zumindest eine Schicht, bevorzugt eine Vielzahl von Schichten, umfasst, und
Erstellen von separaten Maschinencodes, die den einzelnen Schicht-Gruppen zugewiesen sind, wobei es sich bei den Maschinencodes bevorzugt um einen NC-Maschinencode handelt.

Wie oben bereits ausgeführt, wird es anhand des vorgeschlagenen Verfahrens möglich, frühzeitig Fehlteile zu erkennen und gegebenenfalls den vorhandenen Fehler wie z.B. Materialmangel oder Materialüberschuss zu korrigieren. Auf diese Weise kann die Quote an Fehlteilen drastisch reduziert werden, wobei gleichzeitig die Produktivität gesteigert werden kann.
Das Verfahren weist ferner bevorzugt den Schritt auf:

Drucken eines dreidimensionalen Bauteils auf Grundlage der separaten Maschinencodes.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die separaten Maschinencodes durch Aufteilen eines Maschinencodes in die separaten Maschinencodes (Maschinencodeabschnitte) realisiert, wobei der Maschinencode durch Marker in die separaten Maschinencodes (Maschinencodeabschnitte) aufgeteilt ist.
Hierbei ist unter Maschinencode eine Vielzahl von Anweisungen oder Befehlen zu verstehen, die nacheinander von einem Computer oder einer Steuerung abgearbeitet werden können, und dadurch eine Vorrichtung, wie z.B. die Bearbeitungsvorrichtung entsprechend des Maschinencodes gesteuert werden kann. Unter „separaten Maschinencodes“ ist hierbei zu verstehen, dass es sich um abgeschlossene oder voneinander unabhängige Maschinencodes handelt, die sequentiell von dem Computer oder der Steuerung abgearbeitet werden können.
Andererseits besteht auch die Möglichkeit, die separaten Maschinencodes dadurch zu realisieren, dass ein Maschinencode durch vorsehen von Markern in die separaten Maschinencodes unterteilt wird. Hier könnte man auch von Maschinencodeabschnitten des ganzen Maschinencodes sprechen. In diesem Fall kann es sich zum Beispiel um ein Hauptprogramm mit Unterprogrammen handeln, wobei jedes Unterprogramm einer Schicht-Gruppe entspricht. Hierbei sind auch andere Lösungen denkbar, ausschlaggebend ist, dass dem Computer oder der Steuerung mitgeteilt wird, dass voneinander unabhängige Maschinencodes (Programmabschnitte) vorhanden sind, die sequentiell abgearbeitet werden müssen.
Dies bedeutet insbesondere für den Druckvorgang, dass die Möglichkeit geschaffen wird, während des Druckvorgangs, insbesondere nach dem Drucken einer Schicht-Gruppe, die zumindest aus einer Schicht besteht, den Druckvorgang kurzzeitig zu pausieren, um bestimmte nebengeordnete Prozesse durchzuführen, wie zum Beispiel Erfassen und/oder Prüfen des bis dato gedruckten Bauteils, Korrekturprozesse und dergleichen. Auf diese wird später im Detail eingegangen. Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass es aufgrund der separaten Maschinencodes (Maschinencodeabschnitte) nicht notwendig ist, den Druckvorgang zu stoppen und neu zu starten. D.h., es ist beispielsweise nicht notwendig, eine Bearbeitungsvorrichtung, die den Druckvorgang ausführt, zu stoppen oder zu pausieren.
Ferner ist es bevorzugt, dass das Drucken des dreidimensionalen Bauteils in einer Bearbeitungsvorrichtung, insbesondere einem 3D-Drucker oder einer Bearbeitungsvorrichtung mit 3D-Druck-Fähigkeit, erfolgt.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, nach Erstellen der separaten Maschinencodes, diese sequentiell abzuarbeiten, wobei zwischen der Ausführung der einzelnen Maschinencodes eine Überprüfung des bereits erstellten Bauteils erfolgt, wobei die Überprüfung auch während der Ausführung der einzelnen Maschinencodes erfolgen kann. D.h., die Überprüfung kann auch kontinuierlich erfolgen.
Werden die separaten Maschinencodes sequentiell abgearbeitet, d.h., das zu erzeugende Bauteil wird in einzelnen Abschnitten erstellt, sogenannten Bauteilabschnitten, ist es möglich, nach jedem Abschnitt eine Überprüfung des bis zu diesem Zeitpunkt hergestellten Bauteils durchzuführen. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass obwohl ein Fehler im Bauteil vorhanden ist, dieses trotzdem vollständig hergestellt oder gedruckt wird. Gleiches gilt, wenn die Überprüfung während der Ausführung der einzelnen Maschinencodes erfolgt.
Ferner werden bevorzugt bei der Überprüfung Ist-Werte des Bauteils mit Soll-Werten des Bauteils verglichen, und wenn festgestellt wird, dass die Ist-Werte von den Soll-Werten abweichen, wird bevorzugt ein Korrekturprozess durchgeführt, wobei der Korrekturprozess insbesondere vor Ausführung des nächsten Maschinencodes erfolgt.
Mittels des 3D-CAD-Modells ist es möglich, für jede Schicht-Gruppe oder jeden Bauteilabschnitt, welcher jeweils einer Schicht-Gruppe entspricht, Soll-Werte in einer Datenbank abzulegen, insbesondere Soll-Werte der Außenkontur des zu erzeugenden Bauteils. Wurde nun bei der Herstellung des Bauteils ein Bauteilabschnitt abgeschlossen, also ein separater Maschinencode vollständig abgearbeitet, kann die Außenkontur des bisher erzeugten Bauteils erfasst werden und die erfassten Ist-Werte des Bauteils mit den hinterlegten Soll-Werten verglichen werden. Dies kann auch während der Ausführung eines Maschinencodes erfolgen, also bevor eine vollständige Schicht gedruckt wurde. Hierbei können auch Tendenzen erkannt werden, wird z.B. aufgrund der zu druckenden Kontur, an einer bestimmten Stelle immer zu viel Material aufgetragen, kann dies berücksichtigt werden.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass wenn bei der Überprüfung des Bauteils erkannt wird, dass zumindest in einem Bereich des Bauteils ein Materialüberschuss vorhanden ist, in dem Korrekturprozess ein Materialabtrageprozess durchgeführt wird, insbesondere mittels Schleifen, Fräsen, Schaben, elektrochemischem Abtragen, Ätzen, oder dergleichen.
Auf diese Weise ist es möglich, nach Feststellung eines Fehlers in einem Bereich des bis zu diesem Zeitpunkt erzeugten Bauteils, insbesondere eines Materialüberschusses diesen zu korrigieren. Wurde zum Beispiel in einem Bereich des Bauteils zu viel Material aufgetragen, kann dieser Materialüberschuss mittels Schleifen und/oder Fräsen abgetragen werden. Somit ist es möglich, frühzeitig fehlerhafte Stellen in dem erzeugten Bauteil zu erfassen und zu korrigieren, womit die Anzahl an Fehlteilen drastisch reduziert werden kann. In dem Fall, dass keine Korrektur des Bauteils möglich ist, kann zumindest eine unnötige Fertigstellung des Bauteils vermieden werden.
Hierdurch ist es ferner möglich, fehlerhafte Stellen schnellstmöglich zu erkennen und mit minimalem Aufwand zu beheben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird wenn bei der Überprüfung des Bauteils erkannt wird, dass zumindest in einem Bereich des Bauteils ein Materialmangel vorhanden ist, in dem Korrekturprozess ein Materialauftrageprozess durchgeführt.
Somit ist es ebenfalls in vorteilhafter Weise möglich fehlerhafte Stellen in dem erzeugten Bauteil zu erfassen und zu korrigieren, womit die Anzahl an Fehlteilen reduziert werden kann.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Korrekturprozess durch Durchführung eines separaten Materialabtrage- und/oder Materialauftrageprozess und/oder durch Anpassung der nachfolgenden (verbleibenden) Maschinencodes erfolgt.
Wie oben bereits geschildert, besteht die Möglichkeit, nach Erfassung einer fehlerhaften Stelle in dem erzeugten Bauteil einen Korrekturprozess zu veranlassen, wobei mittels des Korrekturprozesses überschüssiges Material abgetragen und/oder fehlendes Material ergänzt werden kann. Andererseits besteht jedoch auch die Möglichkeit, insbesondere wenn es sich lediglich um fehlerhafte Stellen im geringfügigen Ausmaß handelt, dass kein Korrekturprozess in Form eines separaten Materialabtrage- und/oder Materialauftrageprozess erfolgt, wie oben beschrieben, sondern dass eine Anpassung der nachfolgenden Maschinencodes durchgeführt wird.
Wird zum Beispiel während der Überprüfung erkannt, dass in einem bestimmten Bereich zu viel Material aufgetragen wurde, kann in den nachfolgenden Schichten in diesem Bereich weniger oder kein Material aufgetragen werden, bis die Fehlstelle ausgeglichen ist. Hierbei kann falls notwendig eine vorher erzeugte Schicht-Gruppe nochmals in zwei oder mehrere Schicht-Gruppen aufgeteilt werden, d.h., ein separater Maschinencode nochmals in zwei oder mehrere separate Maschinencodes aufgeteilt werden, um frühzeitig nochmals eine Überprüfung der fehlerhaften Stelle durchzuführen. Hierbei ist es wie oben bereits kurz erwähnt ebenfalls möglich, Tendenzen zu erfassen und zu berücksichtigen. Hierbei ist unter dem Berücksichtigen zu verstehen, dass die erfasste Tendenz in den nachfolgenden Maschinencodes berücksichtigt wird, also die nachfolgenden Maschinencodes entsprechend angepasst werden. Wird zum Beispiel erkannt, dass in einem Bereich stets zu viel Material aufgetragen wird, werden die nachfolgenden Maschinencodes so geändert, dass dieser Überschuss an Material kompensiert werden kann.
Weiterhin ist es vorteilhaft, die einzelnen Schichten des zu erzeugenden Bauteils, die den beim Slicing-Prozess erzeugten Schichten des 3D-CAD-Modells entsprechen, durch Abfahren von X-, Y- und Z-Koordinaten mittels eines Druckkopfs zu erzeugen, wobei der Druckkopf bevorzugt an durch die einzelnen Maschinencodes vorgegebenen X-, Y- und Z-Koordinaten jeweils eine bestimmte Menge an Druckmaterial abgibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden wenn zumindest in einem Bereich des Bauteils ein Materialmangel vorhanden ist, die nachfolgenden einzelnen Maschinencodes so angepasst, dass in dem Bereich des Bauteils, in dem ein Materialmangel vorliegt, durch den Druckkopf mehr Druckmaterial abgegeben wird, wobei bevorzugt die Anzahl der anzupassenden Maschinencodes basierend auf einer Menge des Materialmangels bestimmt wird.
Ferner ist es bevorzugt, die Mehrabgabe an Material durch Verfahren des Druckkopfs mit verringerter Geschwindigkeit und/oder durch eine höhere Abgabe an Druckmaterial pro Zeiteinheit (mg/s oder ml/s) zu realisieren.
Auf diese Weise ist es mit einfachen Mitteln möglich, eine festgestellte fehlerhafte Stelle, insbesondere eine fehlerhafte Stelle mit Materialmangel, ohne zusätzlichen Aufwand in Form eines separaten Materialauftrageprozesses, zu korrigieren.
Des Weiteren betrifft die Vorliegende Erfindung ein System zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere eines plattenförmigen oder eines dreidimensional geformten Werkstücks, das bevorzugt zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Holzersatzwerkstoffen, Kunststoffen oder dergleichen besteht, umfassend:

eine Prozessoreinheit, die dazu eingerichtet ist,
einen Slicing-Prozess durchzuführen, in dem ein dreidimensionales CAD-Modell eines zu erzeugenden Bauteils in eine Vielzahl von Schichten aufgeteilt wird, und
um Schicht-Gruppen zu erstellen, die zumindest eine Schicht, bevorzugt eine Vielzahl von Schichten, umfassen, und
eine Code-Erstelleinheit, die dazu eingerichtet ist, den einzelnen Schicht-Gruppen zugewiesene separate Maschinencodes zu erstellen, wobei es sich bei den erstellten Maschinencodes bevorzugt um NC-Maschinencodes handelt.

Auf diese Weise wird ein System bereitgestellt, mittels dem es möglich ist, während des Drucks eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere nach Abschluss eines Bauteilabschnitts, das bis zu diesem Zeitpunkt erzeugte Bauteil auf fehlerhafte Stellen zu überprüfen, wobei gegebenenfalls die Überprüfung auch während der Ausführung der separaten Maschinencodes erfolgen kann. Somit kann eine unnötige Fertigstellung von Bauteilen mit fehlerhaften Stellen vermieden werden und somit die Produktivität der Bearbeitungsvorrichtung erhöht. Ferner wird dadurch die Möglichkeit geschaffen, dass während des Herstellens eines Bauteils einzelne Bauteilabschnitte, nach Fertigstellung dieser Bauteilabschnitte erfasst, insbesondere deren Außenkontur erfasst wird, und basierend auf erfassten Ist-Werten eine Überprüfung des Bauteils oder der Bauteilabschnitte erfolgt. Dadurch wird es möglich, frühzeitig fehlerhafte Stellen in dem zu erzeugenden Bauteil zu erkennen und diese gegebenenfalls zu korrigieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das System bevorzugt eine Bearbeitungsvorrichtung auf, die in Form eines 3D-Druckers oder einer Bearbeitungsvorrichtung mit 3D-Druck-Fähigkeit realisiert ist, insbesondere in Form einer Beschichtungsvorrichtung mit 3D-Druck Fähigkeit, und ist dazu eingerichtet, das dreidimensionale Bauteil auf Grundlage der separaten Maschinencodes zu drucken.
Des Weiteren ist es bevorzugt, wenn das System aufweist:

eine Prüfeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, Ist-Werte des Bauteils mit Soll-Werten des Bauteils zu vergleichen, und
eine Korrektureinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Korrekturprozess durchzuführen,
wobei, wenn durch die Prüfeinrichtung festgestellt wird, dass die Ist-Werte von den Soll-Werten abweichen, mittels der Korrektureinheit der Korrekturprozess durchgeführt wird, wobei der Korrekturprozess insbesondere vor Ausführung des nächsten Maschinencodes erfolgt.

Auf diese Weise ist es möglich, dass die Überprüfung des erzeugten Bauteils oder der erzeugten Bauteilabschnitte direkt in der Bearbeitungsvorrichtung vorgenommen werden kann, womit die Produktivität der Bearbeitungsvorrichtung weiter erhöht werden kann.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Prüfeinrichtung ein Prüfelement zum Erfassen des Bauteils, insbesondere zum Erfassen einer Außenkontur des Bauteils, aufweist, bei dem es sich insbesondere um eine CCD-Kamera, eine mechanische Tasteinrichtung, einen Abstandssensor (kapazitiver Sensor) oder eine optische Tasteinrichtung, insbesondere mittels Laser, einem 3D-Scanner, einer Infrarot-Kamera, oder Kombination zweier oder mehrerer der genannten Sensoren handelt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Korrektureinheit eine Bearbeitungseinheit auf, bei der es sich insbesondere um eine Schleifeinheit, eine Fräseinheit, ein Schabwerkzeug, eine elektrochemische Abtrageeinheit, oder eine Ätzeinheit handelt.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Code-Erstelleinheit durch die Prozessoreinheit realisiert ist, und beide Einheiten Teil eines separaten Computers und/oder einer Steuerung der Bearbeitungsvorrichtung sind.
Ferner ist es vorteilhaft, dass der Druck des dreidimensionalen Bauteils im Durchlaufbetrieb oder im Stationärbetrieb erfolgt.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Systems zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils, wobei bevorzugt das oben beschriebene System verwendet wird,
wobei mittels eines Werkzeugs und/oder Druckkopfs X-, Y-, Z-Koordinaten entsprechend separater Maschinencodes die jeweils einzelnen Schicht-Gruppen des zu erzeugenden Bauteils entsprechen, angefahren werden, und an den jeweiligen Koordinaten durch das Werkzeug und/oder den Druckkopf Material ausgegeben wird, um das dreidimensionale Bauteil schichtweise aufzubauen, wobei zwischen einer Ausführung der einzelnen Maschinencodes und/oder während der Ausführung der einzelnen Maschinencodes eine Überprüfung des bisher erzeugten Bauteils erfolgt. Nach Abarbeitung einer Schichtgruppe, dann erfolgt eine Korrektur.
Unabhängig zu den zuvor genannten Aspekten, alternativ auch zusätzlich hierzu, betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, insbesondere eine Steuerung zur Durchführung einer spanenden Bearbeitung, zum Korrigieren von fehlerhaften Stellen, die beim Drucken eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere eines plattenförmigen oder eines dreidimensional geformten Werkstücks, das bevorzugt zumindest abschnittsweise aus Holz, Holzwerkstoffen, Holzersatzwerkstoffen, Kunststoffen, gefüllte Kunststoffe, beispielsweise mit Holz oder Keramik gefüllte Kunststoffe, oder dergleichen besteht, aufweisend die Schritte:

Drucken des dreidimensionalen Bauteils auf Grundlage eines Maschinencodes, bevorzugt basierend auf einem NC-Maschinencode,
Erfassen des gedruckten Bauteils, wobei die Erfassung bevorzugt während des Druckvorgangs erfolgt,
Überprüfen des gedruckten Bauteils, wobei bevorzugt Ist-Werte des Bauteils mit Soll-Werten des Bauteils verglichen werden,
wobei, wenn festgestellt wird, dass die Ist-Werte von den Soll-Werten abweichen, ein Korrekturprozess durchgeführt wird.

Das Verfahren zum Korrigieren von fehlerhaften Stellen kann in Kombination mit einem oder mehreren der zuvor genannten Aspekte oder der abhängigen Ansprüche kombiniert werden.
Ferner ist es beim Verfahren zum Korrigieren von fehlerhaften Stellen vorteilhaft, wenn bei der Überprüfung des Bauteils erkannt wird, dass zumindest in einem Bereich des Bauteils ein Materialüberschuss (Fehlstelle, Materialüberschuss aufgrund Änderung der Dichte, oder Ähnliches) vorhanden ist, im Korrekturprozess ein Materialabtrag durchgeführt wird, insbesondere mittels Schleifen, Fräsen, Bohren, Schaben, elektrochemischem Abtragen, Ätzen, Materialabtrag mittels Laser oder dergleichen.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Korrekturprozess parallel (gleichzeitig) zum Druckvorgang durchgeführt wird. Dies ist insbesondere bei großflächigen Bauteilen vorteilhaft, da bei diesen der Druck einer Schicht des Bauteils relativ lange dauern kann, sowie ausreichend Platz für einen Druckkopf sowie ein Bearbeitungsaggregat vorhanden ist. Auf diese Weise kann die Druckdauer verkürzt werden.
Figurenliste

1 zeigt ein 3D-CAD-Modell eines zu erzeugenden Bauteils, das unter Verwendung des bekannten Slicing-Prozesses in eine Vielzahl von einzelnen Schichten aufgeteilt wurde,
2 zeigt ein 3D-CAD-Modell eines zu erzeugenden Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die einzelnen Schichten in eine Vielzahl von Schicht-Gruppen zusammengefasst wurden,
3 veranschaulicht die Umsetzung der erzeugten Maschinencodes, die den einzelnen Schicht-Gruppen entsprechen, in einzelne Bauteilabschnitte, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4a und 4b veranschaulichen eine Durchführung von Korrekturprozessen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Nachfolgend werden anhand der beigefügten Figuren bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Weitere in diesem Zusammenhang genannte Modifikationen bestimmter Merkmale können jeweils einzeln miteinander kombiniert werden, um neue Ausführungsformen auszubilden.
1 zeigt ein 3D-CAD-Modell eines zu erzeugenden Bauteils, das unter Verwendung des bekannten Slicing-Prozesses in eine Vielzahl von einzelnen Schichten aufgeteilt wurde. Wie der 1 entnommen werden kann, wird ein 3D-CAD-Modell 100 eines zu erzeugenden Bauteils, das beispielsweise an einem CAD-System (Computer-Aided-Design-System) während der Entwicklung des Bauteils entworfen wurde, in eine Vielzahl von Schichten 101 (Ebenen) aufgeteilt.
Wie der 1 weiter entnommen werden kann, liegen alle Schichten 101 in einer X-Y-Ebene, die einer horizontalen Ebene entspricht und bei welcher es sich um eine Ebene handelt, die beim späteren Drucken der dreidimensionalen Komponente parallel zu einem Bauteilaufnahmetisch liegt.
2 zeigt ein 3D-CAD-Modell 200 eines zu erzeugenden Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem die einzelnen Schichten 201 in eine Vielzahl von Schicht-Gruppen 210 zusammengefasst wurden. In der gezeigten Ausführungsform wurde das 3D-CAD-Modell 200 eines Quaders in vier Schicht-Gruppen 210 aufgeteilt.
3 veranschaulicht die Umsetzung der erzeugten Maschinencodes, die den einzelnen Schicht-Gruppen 210 entsprechen, in einzelne Bauteilabschnitte 301, 302, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 3 ist auf der linken Seite das 3D-CAD-Modell 200 dargestellt, bei dem die Vielzahl von separaten Schichten 201 in vier Schicht-Gruppen 210 zusammenfasst wurde, wobei nachfolgend lediglich die beiden unteren Schicht-Gruppen 211, 212 betrachtet werden.
Wie oben bereits erwähnt, wurden gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung zwei Schicht-Gruppen 211, 212 erstellt, welche jeweils eine Vielzahl von einzelnen Schichten umfassen. Nach dem Erstellen der Schicht-Gruppen 210, insbesondere der beiden unteren Schichtgruppen 211, 212, werden für jede Schicht-Gruppe 210 separate Maschinencodes erstellt. Was es, wie auf der rechten Seite der 3 veranschaulicht ist, möglich macht, Bauteilabschnitte 301, 302 des zu erzeugenden Bauteils herzustellen. Aufgrund der Unterteilung der Herstellung des Bauteils in einzelne Bauteilabschnitte ist es möglich, zwischen den jeweiligen Bauteilabschnitten unterschiedliche Prozesse auszuführen, wie z.B. eine Überprüfung des Bauteils, wie nachfolgend im Detail weiter beschrieben.
4a und 4b veranschaulichen die Durchführung von Korrekturprozessen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie der 4a entnommen werden kann, wurden bereits zwei Bauteilabschnitte 301, 302 (die jeweils einer Schicht-Gruppe des 3D-CAD-Modells entsprechen) des zu erzeugenden Bauteils 300 durch das 3D-Drucken erzeugt und während einer Überprüfung der Außenkontur des Bauteils 300, insbesondere bei einem Vergleich von Ist-Werten des Bauteils 300 mit Soll-Werten des Bauteils festgestellt, dass die Ist-Werte von den Soll-Werten abweisen. Es wurde insbesondere festgestellt, dass in einem Bereich des Bauteils ein Materialüberschuss F_Üb vorhanden ist. D.h., dass während des Herstellens des Bauteils 300 ein Fehler aufgetreten ist.
Hierbei kann die Überprüfung des Bauteils 300 mittels einer CCD-Kamera, einer mechanischen Tasteinrichtung, einer optischen Tasteinrichtung, insbesondere mittels Laser, und dergleichen erfolgen.
Aufgrund der Feststellung eines Materialüberschusses F_Üb wird ein Korrekturprozess gestartet, anhand dessen mittels einer Korrektureinheit eine Bearbeitung des Bauteils 300 erfolgt. Hierbei wird in der in 4a gezeigten Ausführungsform mittels einer Fräseinheit 10 der Materialüberschuss F_Üb abgetragen.
In 4b hingegen ist exemplarisch ein Fall illustriert, bei dem während des Überprüfens des Bauteils 300, nach Erstellung von drei Bauteilabschnitten 301 bis 303 festgestellt wurde, dass in dem zuletzt erzeugten Bauteilabschnitt 303 eine Fehlstelle oder ein Materialmangel F_Ma vorliegt. Entsprechend der Feststellung des Materialmangels wird ein Korrekturprozess gestartet, anhand dessen mittels einer Korrektureinheit eine Bearbeitung des Bauteils 300 erfolgt. Hierbei wird in der in 4a gezeigten Ausführungsform mittels eines Druckkopfs 11 Druckmaterial in die Fehlstelle eingebracht und der Materialmangel ausgeglichen. Falls gewünscht kann nach Aufbringen des Druckmaterials durch den Druckkopf 11 eine Fräsbearbeitung oder ggf. eine Schleifbearbeitung durchgeführt werden, um überstehendes Material zu entfernen.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Vorbereiten eines Drucks eines dreidimensionalen Bauteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei exemplarisch das Drucken selbst umfasst ist.
Die ersten beiden Schritte sind hierbei optionale Schritte, welche nicht notwendigerweise Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens sein müssen, jedoch zum besseren Verständnis der Erfindung hier mit aufgenommen sind.
So wird im Schritt 1 ein 3D-CAD-Modell 200 des gewünschten oder des zu erzeugenden Bauteils 300 erstellt. Dies erfolgt in der Regel an einem CAD-System.
Nach Erstellung des 3D-CAD-Modells 200 wird dieses in Schritt 2 durch Durchführung eines sogenannten Slicing-Prozesses in eine Vielzahl von Schichten 201 aufgeteilt, wobei jede einzelne Schicht Informationen in Form von X-, Y-, und Z-Koordinaten enthält, welche notwendig sind, dass zu erzeugende Bauteil 300 abzubilden und oder durch 3D-Drucken herstellen zu können. Darunter ist zu verstehen, dass jede Koordinate der einzelnen Schicht mit einer Information belegt ist, die aussagt, ob an der jeweiligen Koordinate Material des Bauteils 300 vorhanden ist oder nicht. D.h., ob während des 3D-Druck-Vorgangs seitens des Druckkopfs Druckmaterial abgegeben werden muss oder nicht.
Mit Schritt 3 wird die Vielzahl von Schichten 201 in Schicht-Gruppen 210 zusammengefasst. Darunter ist zu verstehen, dass die vorher erzeugten Schichten 201 nach einer bestimmten Logik zusammengefasst werden. Diesbezüglich können beispielsweise immer 10 oder 100 Schichten zu einer Gruppe zusammengefasst werden, z.B. in Abhängigkeit von der Schichtdicke.
Nach Erstellen der Schicht-Gruppen werden in Schritt 4 für die erstellten Schicht-Gruppen jeweils separate Maschinencodes erstellt, welche von der nachgeschalteten Bearbeitungsvorrichtung, in vorliegender Ausführungsform ein 3D-Drucker, verarbeitet und umgesetzt werden können.
Im nachfolgenden Schritt 5 wird durch sequentielles Drucken der einzelnen Schicht-Gruppen 210, d.h., durch sequentielles abarbeiten der einzelnen Maschinencodes, das dreidimensionale Bauteil 300 hergestellt. Während der Herstellung des Bauteils 300 werden nacheinander Bauteilabschnitte, z.B. die Bauteilabschnitte 301 bis 303, hergestellt, wobei zwischen der Herstellung der einzelnen Bauteilabschnitte jeweils die Schritte 6 und 7 erfolgen, bis das komplette Bauteil 300 hergestellt wurde. Hierbei können die Schritte 1 bis 4 in einem separaten Computer, zum Beispiel direkt in der Entwicklung des zu druckenden Bauteils, vorgenommen werden und die restlichen Schritte in einer Bearbeitungsvorrichtung ausgeführt werden. D.h., die Schritte können räumlich getrennt voneinander ausgeführt werden.
Schritt 6 erfolgt jeweils nachdem ein separater Maschinencode abgearbeitet wurde, also eine Schicht-Gruppe 210 in einen Bauteilabschnitt 301, 302, 303 umgesetzt wurde. D.h. in vorliegender Ausführungsform, bei der das zu erzeugende Bauteil aus drei Bauteilabschnitten 301 bis 303 besteht, wird der Schritt, sowie der nachgeschaltete Schritt 7, dreimal ausgeführt.
Entsprechend wird nach Herstellung des ersten Bauteilabschnitts 301 im 3D-Druck-Verfahren, die Außenkontur des Bauteilabschnitts 301 erfasst. Hierbei kann die Erfassung der Außenkontur des Bauteilabschnitts 301 zum Beispiel anhand einer CCD-Kamera erfolgen.
Nach dem Erfassen der Außenkontur des Bauteilabschnitts 301 werden in Schritt 7 die erfassten Ist-Werte des Bauteilabschnitts 301 mit Soll-Werten, die bevorzugt in einer Datenbank hinterlegt sind und anhand des 3D-CAD-Modells erzeugt wurden, verglichen. Wird bei dem Vergleich der Ist-Werte mit den Soll-Werten festgestellt, dass diese miteinander übereinstimmen, wird direkt mit Schritt 5 weiterverfahren, d.h., der zweite Bauteilabschnitt 302 wird erstellt.
Wird hingegen in Schritt 7 festgestellt, dass die Ist-Werte des Bauteilabschnitts 301 nicht mit den hinterlegten Soll-Werten übereinstimmen, wird ein Korrekturprozess in Schritt 7a durchgeführt, welcher bereits in Bezug auf die 4a und 4b im Detail erläutert wurde.
Nach Abschluss des Korrekturvorgangs kann zur Qualitätssicherung erneut ein Erfassen der Außenkontur des Bauteilabschnitts 301 durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die Ist-Werte mit den gewünschten Soll-Werten übereinstimmen. Anschließend wird mit Schritt 5 weiterverfahren.
Wie oben bereits angegeben, werden nach Herstellung der Bauteilabschnitte 302 und 303 erneut die Schritte 6 und 7 sowie falls notwendig der Schritt 7a wiederholt, bis das vollständige Bauteil 300 ohne fehlerhafte Stellen in Schritt 8 hergestellt ist.

Claims

Verfahren zum Vorbereiten eines Drucks eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere eines plattenförmigen Werkstücks, umfassend die Schritte: Aufteilen eines dreidimensionalen CAD-Modells eines zu druckenden Bauteils in eine Vielzahl von Schichten, Erstellen von Schicht-Gruppen, die jeweils zumindest eine Schicht, bevorzugt eine Vielzahl von Schichten, umfassen, und Erstellen von separaten Maschinencodes, die den einzelnen Schicht-Gruppen zugewiesen sind, wobei es sich bei den Maschinencodes bevorzugt um NC-Maschinencodes handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt: Drucken des dreidimensionalen Bauteils auf Grundlage der separaten Maschinencodes.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die separaten Maschinencodes durch Aufteilen eines Maschinencodes in die separaten Maschinencodes realisiert sind, wobei der Maschinencode bevorzugt durch Marker in die separaten Maschinencodes aufgeteilt ist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Drucken des dreidimensionalen Bauteils in einer Bearbeitungsvorrichtung, insbesondere einem 3D-Drucker oder einer Bearbeitungsvorrichtung mit 3D-Druck-Fähigkeit, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem nach Erstellen der separaten Maschinencodes diese sequentiell abgearbeitet werden, wobei zwischen der Ausführung der einzelnen Maschinencodes eine Überprüfung des bereits erstellten Bauteils erfolgt und/oder die Überprüfung während der Ausführung der einzelnen Maschinencodes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem bei der Überprüfung Ist-Werte des Bauteils mit Soll-Werten des Bauteils verglichen werden, und wenn festgestellt wird, dass die Ist-Werte von den Soll-Werten abweichen, bevorzugt ein Korrekturprozess durchgeführt wird, wobei der Korrekturprozess insbesondere vor Ausführung des nächsten Maschinencodes erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem, wenn bei der Überprüfung des Bauteils erkannt wird, dass zumindest in einem Bereich des Bauteils ein Materialüberschuss vorhanden ist, im Korrekturprozess ein Materialabtrageprozess durchgeführt wird, insbesondere mittels Schleifen, Fräsen, Schaben, elektrochemischem Abtragen, Ätzen, oder dergleichen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem, wenn bei der Überprüfung des Bauteils erkannt wird, dass zumindest in einem Bereich des Bauteils ein Materialmangel vorhanden ist, im Korrekturprozess ein Materialauftrageprozess durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, bei dem der Korrekturprozess durch Durchführung eines separaten Materialabtrage- und/oder Materialauftrageprozess und/oder durch Anpassung der nachfolgenden Maschinencodes erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die einzelnen Schichten des zu erzeugenden Bauteils, die den beim Slicing-Prozess erzeugten Schichten des 3D-CAD-Modells entsprechen, durch Abfahren von X-, Y- und Z-Koordinaten mittels eines Druckkopfs erzeugt werden, wobei der Druckkopf bevorzugt an durch die einzelnen Maschinencodes vorgegebenen X-, Y- und Z-Koordinaten jeweils eine bestimmte Menge an Druckmaterial abgibt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem wenn bei der Überprüfung des Bauteils erkannt wird, dass zumindest in einem Bereich des Bauteils ein Materialmangel vorhanden ist, die nachfolgenden einzelnen Maschinencodes so angepasst werden, dass in dem Bereich des Bauteils, in dem ein Materialmangel vorliegt, durch den Druckkopf mehr Druckmaterial abgegeben wird, wobei bevorzugt die Anzahl der anzupassenden Maschinencodes basierend auf einer Menge an Materialmangel bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Mehrabgabe an Material durch Verfahren des Druckkopfs mit verringerter Geschwindigkeit und/oder durch eine höhere Abgabe an Druckmaterial pro Zeiteinheit (mg/s oder ml/s) realisiert wird.
System zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils, insbesondere eines plattenförmigen Werkstücks, umfassend: eine Prozessoreinheit, die dazu eingerichtet ist, ein dreidimensionales CAD-Modell eines zu erzeugenden Bauteils in eine Vielzahl von Schichten aufzuteilen, und um Schicht-Gruppen zu erstellen, die zumindest eine einzelne Schicht, bevorzugt eine Vielzahl von einzelnen Schichten, umfassen, und eine Code-Erstelleinheit, die dazu eingerichtet ist, den einzelnen Schicht-Gruppen entsprechende separate Maschinencodes zu erstellen, wobei es sich bei den erstellten Maschinencodes bevorzugt um NC-Maschinencodes handelt.
System nach Anspruch 13, ferner umfassend eine Bearbeitungsvorrichtung, die in Form eines 3D-Druckers oder einer Bearbeitungsvorrichtung mit 3D-Druck-Fähigkeit realisiert ist, insbesondere in Form einer Beschichtungsvorrichtung mit 3D-Druck-Fähigkeit, und dazu eingerichtet ist, das dreidimensionale Bauteil auf Grundlage der separaten Maschinencodes zu drucken.
System nach Anspruch 13 oder 14, ferner umfassend: eine Prüfeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, Ist-Werte des Bauteils mit Soll-Werten des Bauteils zu vergleichen, und eine Korrektureinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Korrekturprozess durchzuführen, wobei, wenn durch die Prüfeinrichtung festgestellt wird, dass die Ist-Werte von den Soll-Werten abweichen, mittels der Korrektureinheit der Korrekturprozess durchgeführt wird, wobei der Korrekturprozess insbesondere vor Ausführung des nächsten Maschinencodes erfolgt.
System nach Anspruch 15, bei der die Prüfeinrichtung ein Prüfelement zum Erfassen des Bauteils, insbesondere zum Erfassen einer Außenkontur des Bauteils, aufweist, bei dem es sich insbesondere um eine CCD-Kamera, eine mechanische Tasteinrichtung, einen Abstandssensor oder eine optische Tasteinrichtung, insbesondere mittels Laser, handelt.
System nach Anspruch 15 oder 16, bei der die Korrektureinheit eine Bearbeitungseinheit aufweist, bei der es sich insbesondere um eine Schleifeinheit, eine Fräseinheit, ein Schabwerkzeug, eine elektrochemische Abtrageeinheit oder eine Ätzeinheit handelt.
System nach einem der Ansprüche 13 bis 17, bei der die Code-Erstelleinheit durch die Prozessoreinheit realisiert ist, und beide Einheiten Teil eines separaten Computers und/oder einer Steuerung der Bearbeitungsvorrichtung sind.
System nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei welcher der Druck des dreidimensionalen Bauteils im Durchlaufbetrieb oder im Stationärbetrieb erfolgt.
Verwendung eines Systems zum Drucken eines dreidimensionalen Bauteils, wobei bevorzugt das System nach einem der Ansprüche 13 bis 19 verwendet wird, wobei mittels eines Werkzeugs und/oder Druckkopfs X-, Y-, Z-Koordinaten entsprechend separater Maschinencodes die jeweils einzelnen Schicht-Gruppen des zu erzeugenden Bauteils entsprechen, angefahren werden, und an den jeweiligen Koordinaten durch das Werkzeug und/oder den Druckkopf Material ausgegeben wird, um das dreidimensionale Bauteil schichtweise aufzubauen, wobei zwischen einer Ausführung der einzelnen Maschinencodes und/oder während der Ausführung der einzelnen Maschinencodes eine Überprüfung des bisher erzeugten Bauteils erfolgt.