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Die Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren für ein mit wenigstens einer individuellen Markierung versehenes Bauteil, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Für viele Bauteile wird eine individuelle Markierung angebracht, sei es, um Fälschungen auszuschließen, um für ein Absatzgebiet gesetzlich notwendige Markierungen anzubringen oder um eine Nachverfolgbarkeit für mögliche Fehler zu garantieren. Diese Markierungen werden üblicherweise in einem der Fertigung des Bauteils nachgeschalteten Verfahrensschritt mit einem Label beklebt, bedruckt oder mit einer Lasermarkierung, Gravur, Ätzung usw. auf der Oberfläche verändert, um eine sichtbare Markierung am Bauteil zu erzeugen. Die nachgelagerte Direktmarkierung erfordert mehrere Prozessschritte zum Handling und zur Produktkennzeichnung selbst. Jeder Prozessschritt ist naturgemäß mit einer Fehlerquote behaftet, so dass die Fehlerquote der gesamten Prozesskette gezwungenermaßen erhöht und damit die Wertschöpfung gefährdet wird. Zudem ist das Produkt nicht ab dem ersten Moment der Entstehung gekennzeichnet, so dass eine garantierte durchgängige Rückverfolgbarkeit ebenso wenig gegeben ist wie eine sichere gerichtsverwertbare Dokumentation der Fertigungsprozesskette. Insbesondere der Authentifizierung dienende z. B. ins Bauteilinnere einzubringende Kennzeichnungen sind in den nachgelagerten Prozessschritten nicht mehr umsetzbar. Die Nachteile der genannten Kennzeichnungslösungen bestehen vorrangig in zusätzlichem Aufwand, erhöhter Fehlerquote sowie eingeschränktem Funktionsumfang.
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Bei einem additiven Fertigungsverfahren, das auch als 3-D-Druck bezeichnet wird, bietet es sich an, direkt bei der Bauteilfertigung eine sogenannte additive Direktmarkierung zu erzeugen.
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Ein solches Fertigungsverfahren der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass direkt während des additiven Fertigungsprozesses gemeinsam mit dem Bauteil eine Markierung entsteht und untrennbar mit diesem verbunden ist, ohne dass nachgelagerte Prozessschritte zur Kennzeichnung notwendig werden. Bislang werden additive Direktmarkierungen durch Einbringung der Kennzeichnungen in die digitalen 3D-CAD-Daten erzeugt, solange diese als Volumenmodell bzw. als eine vollständige Beschreibung der Oberfläche des geplanten Bauteils vorliegen. Dafür sind weitere Schritte zur Fertigungsvorbereitung erforderlich wie z. B. die Generierung von Schichtdaten. Beispielsweise liegen für eine serialisierte Kleinserie von 100 Bauteilen 100 individualisierte Datensätze vor, deren Individualität bzw. Abweichung von dem für die Bauteilfertigung gebildeten Volumenmodell nur in den zusätzlichen Kennzeichnungsanteilen besteht, die als solche mindestens einen Körper bilden, der mit dem Bauteilkörper verschmolzen wird, indem dort Volumenanteile hinzugefügt oder abzogen werden. Sind die Bauteile in einem Fertigungsverfahren herzustellen, das prozessbedingt Stützstrukturen erfordert, ist für jeden der 100 Datensätze ein Volumenmodel bzw. eine andere elektronische Bauteilbeschreibung als Stützstruktur zu erzeugen. Anschließend ist für jedes einzelne Volumenmodel im sog. „Slicing“ eine sequenzielle Folge von Schichtdatensätzen zu berechnen und an die Fertigungsmaschine für die additive Fertigung des Bauteils mitsamt der Direktmarkierung zu übertragen. Die Nachteile dieser Art der Anbringung einer Direktmarkierung an einem Bauteil bestehen somit in einem großen Ressourcenbedarf sowohl in Form von Speicherplatz, Rechenleistung und Zeit.
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Zur Verdeutlichung der Problemstellung wird auf die nachfolgenden Beispiele verwiesen:
- - Ein Bauteil mit den Maßen 40mm x 40mm x 40mm wird für die Fertigung mittels eines Extrusions-Auftragsverfahrens in 400 je 100µm starke Schichten aufgeteilt. Gilt es hier nun auf eine im Bauraum vertikal ausgerichteten Fläche einen serialisierten Code in der Größe von 7mm x 7mm in einer Tiefe von 0,2mm zu integrieren, also ein-, auf oder unterzuprägen, so betrifft diese Serialisierung nur 7 der 40mm Bauteilhöhe und somit nur 70 der 400 Schichten. Eine Berechnung der Anpassung des gesamten Volumenkörpers ist somit nicht notwendig.
- - Beim Laserstrahlschmelzen von Metallen handelt es sich häufig um Schichtstärken zwischen 20 und 50 µm, so dass die Relation zwischen den für eine Bauteilkennzeichnung relevanten Schichten und dem gesamten Bauteil zwar identisch bleibt, der Aufwand zur Berechnung aber durch die hohe Anzahl der Schichten um ein Vielfaches ansteigt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein additives Fertigungsverfahren für ein mit einer individuellen Markierung versehenes Bauteil so zu verbessern, dass die Fertigung schneller durchführbar ist und/oder mit weniger Rechenleistung und Speicherplatz erzielbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein additives Fertigungsverfahren für ein mit einer individuellen Markierung versehenes Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Bezeichnung „Volumenmodell“ wird in der vorliegenden Erfindung als generischer Begriff für alle elektronischen Daten verwendet, die geeignet sind, die geometrische Gesamtstruktur des Bauteilkörpers zu beschreiben und ggf. zu visualisieren und die noch nicht in Bezug auf eine bestimmte zur Fertigung vorgesehene Maschine aufbereitet sind. Dies schließt Volumenmodelle im engeren Sinn der CAD-Technik ebenso ein wie Netzmodelle, die die Oberfläche des herzustellenden Bauteils einhüllen.
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Als „Schicht“ oder „Slice“ wird derjenige Teilabschnitt des Bauteils bezeichnet, welcher in einer einzelnen Fertigungsebene einer additiven Fertigungsmaschine, auch als „3-D-Drucker“ bezeichnet, herstellbar ist, ohne dass die vertikale Z-Achse der Fertigungsmaschine verstellt wird. Dieser Teilabschnitt ist parallel zur Bezugsebene und hat eine Höhe, die der mit dem eingesetzten Fertigungsverfahren in einer Fertigungsebene erzielbaren Schichtdicke entspricht. Die Addition aller übereinander hergestellten Schichten führt zur Herstellung des Gesamtbauteils.
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Die Erfindung sieht eine direkte Beeinflussung des Fertigungsprozesses durch Umlenkung von generisch für das Bauteil erzeugten Schichtkonturen und daraus resultierenden Schraffuren vor. Als „Schraffuren“ werden diejenigen Flächenbereiche innerhalb einer Fertigungsebene bezeichnet, die bei der additiven Fertigung mit dem Werkstoff ausgefüllt werden, während die übrigen Bereiche frei davon bleiben.
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Eine nach der Erfindung gefertigte individuelle Markierung reduziert die danach notwendigen Prozessschritte in der digitalen Fertigungsvorbereitung erheblich. Dennoch wird eine Rückverfolgbarkeit vom physischen Produkt zum digitalen Zwilling ab dem ersten Moment der Bauteilfertigung ermöglicht. Die Erzeugung einer Markierung nach der Erfindung lässt sich als Bauteilidentifikation z. B. durch Serialisierung, Authentifizierung z. B. durch versteckte Kennzeichnungen bezeichnen.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens besteht darin, dass die individuelle Markierung am Bauteil in Form und Lage präziser ist, als bei der Verschmelzung eines Volumenmodells für das Bauteil mit einem weiteren Volumenmodell für die Markierung, wie sie herkömmlich praktiziert wird, denn gerade in Randgebieten der Markierung können bei der Verschmelzung Fehler auftreten.
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Nach der Erfindung hingegen werden Markierungen immer als Vielfache einer Schichtstärke umgesetzt und haben damit stets scharfe Begrenzungskanten, was auch entsprechend zuvor visualisiert werden kann.
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Vollautomatisiert läuft hingegen die Serialisierung der in Schichten vorliegenden Basisdaten. Durch einen Algorithmus werden die Schichten, die von der Produktkennzeichnung betroffen sind („marked“), bauteilindividuell generiert und mit den „non marked“-Bereichen der Basisdaten kombiniert.
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Nach der Erfindung können identifizierende und/oder authentifizierende Direktmarkierungen in das Bauteil eingebettet werden. Identifizierende Merkmale dienen der Informationsübermittlung, beispielsweise eine Serien- oder Chargennummer oder ein Herstellungsdatum. Diese Markierungen ersetzen einen Aufdruck, einen Aufkleber oder eine Lasermarkierung.
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Authentifizierende Markierungen dienen dazu, die Echtheit des Bauteils zu garantieren. Dazu lassen sich beliebige Modulgeometrien zur Abbildung maschinenlesbarer Matrixcodes umsetzen, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht fertigbar sind und für den Nutzer nicht offensichtlich erkennbar sind und somit einen neuartigen Fälschungsschutz darstellen. Hierbei kann es sich insbesondere um Erhebungen handeln, die mit herkömmlichen Gießverfahren für Kunststoffe und Metalle nicht entformbar wären.
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Die authentifizierenden Merkmale haben dabei nicht zwingend die gleiche Bezugsebene wie es nach dem Stand der Technik möglich ist. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene schichtweise Generierung der individuellen Modulgeometrien lassen sich Elemente auf unterschiedlichen Bezugsebenen anbringen oder sogar auf gekrümmten Flächen aufbringen, ohne die Lesbarkeit negativ zu beeinflussen.
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Dadurch, dass nach der Erfindung eine direkte Einflussnahme auf jeden einzelnen Punkt in einer für die Markierung vorgesehen Schicht gegeben ist, erscheint nicht nur die Kontur von außen am Bauteil angebrachten Markierungen schärfer, sondern es ist auch eine scharf begrenzte Markierung im Inneren des ausgefüllten Bauteilvolumens möglich, die nach außen unsichtbar ist und nur durch besondere Analyseverfahren einsehbar ist. Beispielsweise kann bei einer Fertigungsmaschine, die eine Schichterzeugung mit mehr als einer Komponente erlaubt, eine Markierung eingebracht werden, die ferromagnetische Partikel enthält. Zum Auslesen einer verdeckten Seriennummer kann das Bauteil partiell magnetisiert und mit Eisenpulver beschichtet werden.
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Möglich ist auch, eine Markierung sehr nah an die Bauteiloberfläche zu bringen und/oder mehrere Markierungen direkt übereinander oder mit einer Trennlage mit einer Höhe von nur wenigen Schichtstärken einzubringen. Wird beispielsweise eine oberflächlich sichtbare Markierung mechanisch abgetragen, z. B. durch Schleifen, erscheint eine weitere Markierung darunter. Auch können sich übereinanderliegende Markierungen wie bei fälschungssicheren Banknoten zu einem Motiv ergänzen, wenn zur Außenseite hin transparente oder teiltransparente Markierungen aufgebracht werden oder wenn die außenliegende Markierung in einer Subtraktion besteht, also in einer Ausnehmung, die den Blick auf die dahinter liegende Schicht frei gibt Eine solche Doppelmarkierung ist nachträglich an einem Original-Bauteil nicht mehr veränderbar. Sie ist selbst bei einem nachgeahmten Bauteil, das anhand einer Original-Vorlage und mittels des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahren hergestellt wird, bzw. einer andere Stützstruktur nicht präzise reproduzierbar, wenn nicht auf das Original- Volumenmodell oder die originäre sequenzielle Folge von Schichtdatensätzen zurückgegriffen werden kann. Kleinste Maßabweichungen, die im Reverse Engineering auftreten, verändern zwar möglicherweise das Aussehen und auch die Funktion des Bauteils nicht, führen zumindest aber zu minimalen Verlagerungen und Veränderungen bei den Markierungen, wobei diese Fehler gerade bei zwei sich ergänzenden Markierungen sichtbar werden. Dies führt zu einer hohen Fälschungssicherheit z.B. bei sicherheitsrelevanten Fahrzeugteilen. Vor dem Einbau kann die innenliegende Markierung nach Art eines Rubel-Loses durch Abtrag einer dünnen Außenschicht freigelegt werden, um die Echtheit des Bauteils zu prüfen.
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Sofern eine Schnittstelle zwischen einer elektronischen Einrichtung für die Arbeitsvorbereitung und einer Fertigungsmaschine besteht, die den direkten Zugriff auf den Speicher der Fertigungsmaschine erlaubt, können die markierungsindividuellen Schichtdatensätze direkt im Speicher der Fertigungsmaschine selektiert und gegen die individuell für jedes zu fertigende Bauteil generierten Markierungsschichtdatensätze ausgetauscht werden, bevor die Fertigung gestartet wird.
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Liegt keine solche Schnittstelle vor, wird der Austausch einzelner Schichtdatensätzen gegen die Markierungsschichtdatensätze vorab vorgenommen, und vor jedem Beginn einer Bauteilfertigung wird die modifizierte sequenzielle Folge von Schichtdatensätzen vollständig neu an die Fertigungsmaschine übertragen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung:
- 1 eine Abfolge von Fertigungsschritten;
- 2A, 2B je einen Stapel von Schichtdatensätzen;
- 3 eine Illustration zur softwaregestützten Auswahl eines Markierungsbereichs und
- 4A, 4B je ein Blockschaltbild zur Beschreibung des Verfahrensablaufs;
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1 zeigt in einer schematischen Abfolge die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehenen Schritte. Zunächst wird ein elektronisches Volumenmodell 1 für das hier zu fertigende Bauteil erstellt. An diesem wird zunächst eine Basisebene 3 festgelegt. Die Basisebene 3 entspricht der Ebene der Aufnahmefläche an der für die additive Fertigung vorgesehenen Fertigungsmaschine. Der Markierungsbereich 2 wird zur Anbringung einer individuellen Bauteilmarkierung ausgewählt.
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In einem nachfolgenden Rechenschritt wird das Volumenmodell 1 in eine Vielzahl von Schichtdatensätzen 4.1, 4.2, 4.3, 4. 4, 4.5, 4.6 zerlegt, die jeweils eine Höhe h0 besitzen. Jeder dieser Schichtdatensätze 4.1,..., 4.6 enthält Daten, um in der additiven Fertigungsmaschine, dem sogenannten 3D-Drucker, eine einzelne Schicht durch Werkstoffauftrag oder Werkstoffaushärtung zu fertigen. Danach wird in der Fertigungsmaschine die Z-Achse verstellt, so dass der Werkzeugkopf oberhalb der zuvor angefertigten Schicht angeordnet ist und auf letzterer aufbauend die nächste Schicht fertigt.
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Durch den Markierungsbereich 2 am Volumenmodell 1 sind zwei der Schichtdatensätze 4.4, 4.5 ausgewählt und in der schematischen Darstellung in 1 durch eine dicke Randlinie markiert. Nur diese Schichtdatensätze 4.4, 4.5 gelangen in den in der Mitte Illustrierten Manipulationsprozess, um Daten zur Ausbildung der gewünschten Bauteilmarkierung direkt in den jeweiligen Schichtdatensatz einzubringen
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Exemplarisch ist ein einzelner Schichtdatensatz 4.4 dargestellt. Entsprechend dem für die additive Fertigung weit verbreiteten Protokoll CLI / SLI enthält der Schichtdatensatz 4.4 wenigstens einen Vektor, welcher eine zu fertigende Kontur vorgibt. Zur Veranschaulichung ist hier durch den Vektor eine rechteckige Kontur beschrieben, die Teil des Quaders ist, der im Volumenmodell 1 modelliert ist. Definitionsgemäß wird dann entweder links vom Vektor ein Werkstoffauftrag vorgenommen und rechts vom Vektor ein Werkstoffauftrag ausgelassen.
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Nach der Erfindung wird bei den Daten des Schichtdatensatzes 4.4 wenigstens ein Vektor 6.4 eingefügt oder wenigstens ein Vektor verändert, um die Daten zur Ausbildung der Individualmarkierung zu schaffen. Dadurch wird eine neuer Markierungsschichtdatensatz 5.4 gebildet. Das gleiche gilt für den Schichtdatensatz 4.5, der für die weitere im Markierungsbereich 2 liegende Schicht generiert ist; auch hieraus wird ein neuer Markierungsschichtdatensatz 5.5 gebildet. Die beiden geänderten Markierungsschichtdatensätze 5.4, 5.5 werden als Ersatz für die ursprünglichen Schichtdatensätze 4.4, 4.5 in den Stapel eingefügt. Die anderen Schichtdatensätze 4.1, 4.2, 4.3, 4.6 liegen außerhalb des Markierungsbereichs 2 und werden unverändert in die neue Folge von Schichtdatensätzen 5.1, ..., 5.6 übernommen.
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De Folge von Schichtdatensätzen 5.1, ..., 5.6 wird in der additiven Fertigungsmaschine verarbeitet, wodurch ein dem ursprünglichen Volumenmodell 1 entsprechendes Bauteil 10 hergestellt wird, das zusätzlich eine integrierte Individualmarkierung 20 enthält.
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Die 2A und 2B zeigen in schematischer Ansicht je einen Stapel 7', 7" von Schichtdatensätzen mit Informationen für eine konkave, eingeprägte Markierung (2A) bzw. eine erhabene, konvexe Markierung (2B), wobei die Markierung am fertigen Bauteil jeweils halbkugelförmig ist.
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Die Darstellung in 3 veranschaulicht, wie mithilfe einer Software am Volumenmodell 40 ein geeigneter Markierungsbereich 42 ausgewählt werden kann.
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Bei Bauteilen, bei denen die Platzierung der Markierung nicht aus optischen oder in der Funktion des Bauteils bedingten Einschränkungen limitiert ist, kann durch diese Auswahl der Markierungsbereich so gewählt werden, dass nur wenige Schichtdatensätze zu Markierungsdatensätzen umgewandelt zu werden brauchen.
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Die teilautomatische Auswahl wird insofern algorithmisch unterstützt, als dass Flächen, die sich nach Prüfung des Platzbedarfes für den ausgewählten Markierungstypen als wie auch der Aufbaurichtung innerhalb der additiven Fertigungsanlage eignen, vorselektiert werden und nur noch durch den Benutzer freigegeben werden. Ein vollautomatisierter Prozess ist hier nicht vorteilhaft, da die Markierung selbst Schwachstellen ins Bauteil einbringen kann und somit die Flächenauswahl nur unter Berücksichtigung der Lastfälle geschehen darf.
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Die softwareunterstützte Vorselektierung basiert dabei auf einem Vergleich des Winkels α zwischen einem Normalenvektor einer Bauplattform 44 an der Fertigungsmaschine und den jeweiligen Normalenvektoren der einzelnen Facetten eines STL Datensatzes. Durch diesen Vergleich werden gebildet:
- - bevorzugte Bereiche 41: 5° < α ≤ 90° ∨ -5° > α ≥ -90°
- - angebotene Bereiche 42: 0° < α ≤ 5° ∨ 0° > α ≥ -5°
- - vernachlässigte Bereiche 43: 90° < α ≤ 180° ∨ -90° > α ≥ -180°
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Die 4A und 4B zeigen je ein Blockschaltbild zur Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens, wobei in 4A die vorbereitenden Schritte dargestellt sind und in 4B diejenigen, die die Fertigung des Bauteils mitsamt wenigstens einer individuellen Markierung beschreiben.
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Bei der Vorbereitung werden im Wesentlichen festgelegt:
- - die Orientierung des Volumenmodells in Bezug auf die Basisebene 3 an der additiven Fertigungsmaschine;
- - die Lage des Markierungsbereichs 2 am Volumenmodell 1 und
- - Form und Inhalt der individuellen Markierung.
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Nach den beschriebenen und in 4A dargestellten vorbereitenden Schritten erfolgt der Übergang zu den in 4B dargestellten Schritten. Dabei sieht die Erfindung vor, bei der Unterteilung der CAD-Basisdaten in eine Folge von Schichtdatensätzen, dem sogenannten „Slicing“, Bereiche von Schichtdatensätzen zu markieren, die überhaupt zur Ausbildung der Markierung geändert werden müssen. Dazu werden die in Bezug auf die Basisebene untere und obere Grenze des Markierungsbereichs bestimmt und dann für jeden Schichtdatensatz geprüft, ob er innerhalb der Grenzen liegt oder nicht. Außerhalb dieser Grenzen liegende Schichtdatensätze werden als „non-marked“ kategorisiert und bleiben unverändert.
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Innerhalb der Grenzen liegende Schichtdatensätze werden durch Veränderung und/oder Einfügung zusätzlicher Daten (vgl. Vektor 6.4 in 1) zu Markierungsschichtdatensätzen. Bei vektorbasierten Formaten wie dem CLI/SLI-Format werden Schnittpunkte zwischen einem Vektor, der Teil der Individualmarkierung ist, und dem die Basiskontur des Bauteils beschreibenden Vektor ermittelt.
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Wie in 1 bildlich dargestellt, wird der die Basiskontur beschreibende Vektor 4.4 zwischen diesen Schnittpunkten quasi geöffnet und um den die Markierung beschreibenden Vektor 6.4 ergänzt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, wie für die Schicht Markierungsdaten zur Verfügung stehen, die eingearbeitet werden müssen. Erst dann ist der Markierungsschichtdatensatz 5.4 fertig ausgebildet, der in die Folge von Schichtdatensätzen 5.1, ..., 5.6 eingeschoben wird.
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Vor der Übergabe der Kombination der Schichtdatensätze (Slices) und dem Start des additiven Fertigungsprozesses kann sich noch eine Kontrollroutine anschließen, durch die ermittelt wird, ob nach Einarbeitung der Markierungsdaten wieder alle Vektoren in der Schicht in sich geschlossen sind, damit Abbrüche während der Bauteilfertigung vermieden werden. Ggf. kann die Heilung durch die Verbindung offen liegender Enden automatisch bewirkt werden, oder es wird eine Fehlermeldung ausgegeben und eine Benutzereingabe abgewartet.
