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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker, bei welchem Abweichungen von im 3D-Drucker erzeugten 3D-Strukturen ermittelt werden und bei welchem nachfolgend eine Beeinflussung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker erfolgt.
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Hierbei wird unter dem Begriff der Beeinflussung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker sowohl beispielsweise ein Nachjustieren von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker als auch eine Veränderung in einer Ansteuerung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker verstanden. So können beispielsweise Parameter zur Ansteuerung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker, wie beispielsweise ein Zeitpunkt der Ansteuerung einer Düse in einem Druckkopf eines 3D-Druckers, verändert werden.
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Weiterhin kann auch eine Bewegungsgeschwindigkeit von Baugruppen des 3D-Druckers, welche sich über die Oberfläche eines Baufelds eines 3D-Druckers bewegen, verändert werden. Derartige Baugruppen können Arbeitsmittel eines 3D-Druckers wie beispielsweise ein Mittel zum Austragen beziehungsweise Auftragen des partikelförmigen Baumaterials, ein Mittel zum Glätten des ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials, ein Mittel zum Verdichten des partikelförmigen Baumaterials oder ein Druckkopf zum Auftragen eines Bindemittels sein.
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Darüber hinaus kann eine mittels eines Druckkopfs zu dosierende Menge beispielsweise eines Bindemittels erhöht oder vermindert werden oder es kann ein Reinigungsvorgang eingeleitet werden, beispielsweise für den Fall, dass festgestellt wird, dass sich Veränderungen der Dosierung des Bindemittels nicht wie erwartet auswirken.
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Ebenso zählt unter dem Begriff der Beeinflussung von Bauteilen oder Baugruppen eine Veränderung einer Menge eines auf ein Baufeld aufgebrachten partikelförmigen Baumaterials.
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Darüber hinaus kann auch die Auswahl beziehungsweise Anzahl von genutzten oder nicht genutzten Düsen in einem ein Bindemittel auftragendem Druckkopf verändert werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt insbesondere eine Lösung bereit, mit welcher eine automatisierte Beeinflussung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker realisiert werden kann.
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Bekannt ist es, zur Herstellung einzelner oder serienmäßiger Bauteile, Werkstücke oder Formen einen sogenannten 3D-Druck bzw. ein sogenanntes 3D-Druckverfahren einzusetzen. Bei derartigen Druckverfahren werden dreidimensionale Bauteile oder Werkstücke schichtweise aufgebaut hergestellt.
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Der Aufbau erfolgt rechnergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Vorgaben für die zu druckenden Bauteile oder Werkstücke können beispielsweise von sogenannten rechnerunterstützten Konstruktionssystemen (CAD engl. computer-aided design) bereitgestellt werden.
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Beim Druck der 3D-Strukturen bzw. 3D-Bauteile finden physikalische oder chemische Härtungsprozesse oder ein Schmelzprozess in einem partikelförmigen Baumaterial, welches auch als Formstoff bezeichnet wird, statt. Als Werkstoffe für derartige 3D-Druckverfahren werden Baumaterialien bzw. Formstoffe wie Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, unverfestigte Sedimente wie Mineralien oder Sande und Metalle eingesetzt.
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Bei der Umsetzung von 3D-Druckverfahren sind verschiedene Fertigungsverfahrensabläufe bekannt.
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Mehrere dieser Verfahrensabläufe umfassen jedoch die nachfolgend beispielhaft dargestellten Verfahrensschritte:
- • Teil- oder vollflächiges Auftragen von partikelförmigem Baumaterial, auch als Partikelmaterial oder pulverförmiges Aufbaumaterial bezeichnet, auf ein sogenanntes Baufeld, um eine Schicht aus nichtverfestigtem Partikelmaterial zu bilden, wobei das teil- oder vollflächige Auftragen von partikelförmigem Baumaterial das Austragen und das Glätten des partikelförmigen Baumaterials umfasst;
- • Selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht aus nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial in vorbestimmten Teilbereichen, beispielsweise durch ein selektives Verdichten, Aufdrucken oder Aufbringen von Behandlungsmitteln, wie beispielsweise einem Bindemittel mittels eines Druckkopfes oder dem Einsatz eines Lasers;
- • Wiederholung der vorhergehenden Verfahrensschritte in einer weiteren Schichtebene zum schichtweisen Aufbau des Bauteils oder Werkstücks. Hierfür ist es vorgesehen, dass Bauteil oder Werkstück, welches auf dem Baufeld schichtweise aufgebaut bzw. aufgedruckt wird, mit dem Baufeld jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke abzusenken oder die 3D-Druckvorrichtung jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke gegenüber dem Baufeld anzuheben, bevor eine neue Schicht teil- oder vollflächig aufgetragen wird;
- • Nachfolgendes Entfernen von losem, nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial, welches das gefertigte Bauteil oder Werkstück umgibt.
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Als partikelförmiges Baumaterial wird allgemein eine Ansammlung einzelner Teilchen eines Stoffs oder eines Stoffgemischs verstanden, wobei jedes Teilchen eine dreidimensionale Erstreckung aufweist. Da diese Teilchen überwiegend als runde, ovale oder auch längliche Teilchen aufgefasst werden können, ist es möglich, einen durchschnittlichen Durchmesser für ein derartiges Teilchen anzugeben, welcher meist im Bereich zwischen 0,1 mm bis 0,4 mm liegt. Ein derartiges partikelförmiges Baumaterial kann fluide Eigenschaften aufweisen.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur bzw. zum Austragen und Auftragen von partikelförmigem Baumaterial auf ein Baufeld zur Erzeugung einer 3D-Struktur bekannt.
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Aus der
DE 10117875 C1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Auftragen von Fluiden sowie deren Verwendung bekannt.
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Das Verfahren zum Auftragen von Fluiden bezieht sich insbesondere auf Partikelmaterial, welches auf einen zu beschichtenden Bereich aufgetragen wird, wobei vor einer Klinge, in Vorwärtsbewegungsrichtung der Klinge gesehen, das Fluid auf den zu beschichtenden Bereich aufgetragen wird und danach die Klinge über dem aufgetragenen Fluid verfahren wird.
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Die Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung, ein Verfahren sowie eine Verwendung der Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine möglichst ebene Verteilung von fluidem Material auf einem zu beschichtenden Bereich erreicht werden kann.
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Zur Lösung ist es vorgesehen, dass die Klinge eine Schwingung nach Art einer Drehbewegung ausführt. Durch die schwingende Drehbewegung der Klinge wird das auf den zu beschichtenden Bereich aufgebrachte Fluid fluidisiert. Hierdurch kann nicht nur stark zur Agglomerierung neigendes Partikelmaterial möglichst eben und glatt aufgetragen werden, sondern es ist darüber hinaus möglich, auch die Verdichtung des Fluids durch die Schwingung zu beeinflussen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Auftragen des Fluids auf den zu beschichtenden Bereich im Überschuss erfolgt, so wird durch die ständige Bewegung der Klinge, die nach Art einer Drehbewegung oszilliert, das überschüssige Fluid, in Vorwärtsbewegungsrichtung der Klinge gesehen, vor der Klinge in einer aus Fluid bzw. Partikelmaterial durch die Vorwärtsbewegung der Klinge gebildeten Walze homogenisiert. Dadurch können etwaige Hohlräume zwischen einzelnen Partikelklumpen gefüllt werden und größere Klumpen Partikelmaterial werden durch die Walzenbewegung aufgebrochen.
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Ein Nachteil dieses bekannten Standes der Technik besteht darin, dass üblicherweise keine Prüfung beziehungsweise Qualitätskontrolle der erzeugten 3D-Strukturen auf Abweichungen von vorgegebenen Abmessungen erfolgt.
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Für den Fall, dass eine Qualitätskontrolle der erzeugten 3D-Strukturen beispielsweise durch ein Vermessen der erzeugten 3D-Strukturen erfolgt, können die erkannten Abweichungen von vorgegebenen Abmessungen der 3D-Strukturen meist nur durch ein mechanisches Nachjustieren von Bauteilen beziehungsweise von Baugruppen des 3D-Druckers korrigiert werden.
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Derartige mechanische Nachjustierungen sind aber meist aufwendig, da beispielsweise teilweise eine Zerlegung des 3D-Druckers notwendig ist, um die zu justierenden Bauteile beziehungsweise Baugruppen zu erreichen. Außerdem bedingen derartige Nachjustierungen auch den Stillstand des 3D-Druckers, also eine Unterbrechung der Erzeugung einer 3D-Struktur im 3D-Drucker.
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Dies ist insbesondere in Bereichen, in welchen sehr enge Toleranzen bei der Herstellung von 3D-Strukturen vorgegeben, sind sehr nachteilig. Derartige Toleranzbereiche liegen beispielsweise bei vorgegebenen maximalen Abweichungen zwischen +0,3 mm und -0,3 mm. Folglich darf eine gefertigte 3D-Struktur beispielsweise in ihrer Länge bis zu 0,3 mm größer oder bis zu 0,3 mm kleiner sein, um die vorgegebene enge Toleranz einzuhalten.
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Somit besteht nach dem Stand der Technik keine Möglichkeit einer geeigneten Qualitätskontrolle beziehungsweise Qualitätssicherung während der Erzeugung von 3D-Strukturen.
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Somit besteht ein Bedarf nach einer Verbesserung des bekannten Stands der Technik und somit an einem verbesserten Verfahren zur Beeinflussung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Beeinflussung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker anzugeben, womit eine automatisierte Nachjustierung oder eine veränderte Ansteuerung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker erreicht wird. Außerdem soll das Verfahren die Stillstandszeiten eines 3D-Druckers verringern und die Qualität der erzeugten 3D-Strukturen verbessern.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Beeinflussung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Nach dem Stand der Technik können in einem 3D-Drucker erzeugte 3D-Strukturen nach ihrer Erzeugung im 3D-Drucker vermessen werden, um Abweichungen zwischen den vorgegebenen Abmessungen und den durch den 3D-Drucker erzeugten Abmessungen einer 3D-Struktur zu ermitteln. Derartige Abweichungen stellen die Differenz zwischen den beispielsweise mittels eines rechnerunterstützten Konstruktionssystems erzeugten Daten für die Abmessungen einer zu erzeugenden 3D-Struktur und den tatsächlichen Abmessungen der erzeugten 3D-Struktur dar.
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Ursache für derartige Differenzen sind beispielsweise durch mechanische Toleranzen des 3D-Druckers bedingt oder können ihre Ursachen auch in einer sich verändernden Qualität des partikelförmigen Baumaterials haben, welches Agglomerate oder „Lücken“ durch ungleichmäßige Verdichtung aufweisen kann.
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Darüber hinaus können eine oder mehrere verstopfte Düsen eines Druckkopfes, welcher ein Bindemittel auftragen soll, zu Differenzen zwischen den Abmessungen führen. Auch ein Verziehen der 3D-Struktur beim Aushärten beziehungsweise Trocknen oder ein unzureichender Reinigungszustand der 3D-Struktur nach der Fertigung können Ursachen für Differenzen zwischen den Abmessungen sein.
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Bei einem Vermessen einer erzeugten 3D-Struktur können beispielsweise Maße von Außen- oder Innenkonturen der 3D-Strukturen mit üblichen aus dem Stand der Technik bekannten Messmitteln und Verfahren ermittelt werden. Ein derartiges Vermessen kann sich über eine oder mehrere Dimensionen der erzeugten 3D-Struktur, wie ihre Höhe, ihre Breite und ihre Länge, erstrecken.
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Nach dem Stand der Technik werden beispielsweise einige Maße beziehungsweise Abmessungen ermittelt und beispielsweise in Form einer vorgegebenen Tabelle notiert. Diese in der vorgegebenen Tabelle notierten Abmessungen der erzeugten 3D-Struktur werden sodann mit Vergleichsabmessungen beziehungsweise Referenzabmessungen verglichen. Derartige Referenzabmessungen entsprechen beispielsweise den vorgegebenen Abmessungen des rechnerunterstützten Konstruktionssystems.
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In einem Fall können derartige ermittelte Abmessungen und Referenzabmessungen auch sogenannte 3D-Daten sein, welche ebenfalls zueinander auf Abweichungen geprüft werden.
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Ein derartiger Vergleich einer bestimmten Anzahl von beispielsweise tatsächlichen Abmessungen und Referenzabmessungen kann von einem entsprechend qualifizierten Bediener eines 3D-Druckers vorgenommen werden. Dieser muss nachfolgend beispielsweise unter Einhaltung bekannter Toleranzgrenzen darüber entscheiden, ob die Differenzen zwischen diesen Abmessungen eine bestimmte Toleranz überschreiten und ob somit die geforderte Qualität der erzeugten 3D-Strukturen erreicht ist oder nicht.
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Wird diese geforderte Qualität nicht erreicht, so müssen entsprechende Maßnahmen zur Nachjustierung von Bauteilen oder Baugruppen im 3D-Drucker veranlasst werden, um den vorgegebenen Qualitätsanforderungen zu entsprechen.
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Ein Nachteil dieser aus dem Stand der Technik bekannten Methode liegt auch darin, dass es bei diesem Vergleich beziehungsweise der Auswertung der Abmessungen durch einen Bediener zu Fehlinterpretationen führen könne, in deren Folge ein 3D-Drucker angehalten und demontiert, geprüft oder neu eingestellt wird, ohne dass eine derartige Nachjustierung notwendig gewesen wäre.
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Entsprechend des vorliegenden Verfahrens ist es daher vorgesehen, dass der Vergleich einer bestimmten Anzahl von tatsächlichen Abmessungen und Referenzabmessungen automatisiert erfolgt. Dies erfolgt unabhängig davon, dass beispielsweise jede Abmessung ein Einzelwert wie eine Höhe, eine Breite oder eine Länge ist oder dass Abmessungen in Form von dreidimensionalen Daten vorliegen. Derartige dreidimensionale Daten weisen beispielsweise ausgehend von einem Bezugspunkt oder einem Bezugskoordinatensystem Werte wie eine X-, eine Y- und eine Z-Komponente in einem dreidimensionalen Koordinatensystem auf. So kann beispielsweise durch die Angabe von 3D-Daten, also einer X-, einer Y- und einer Z-Komponente ein bestimmter Punkt auf der Oberfläche einer erzeugten 3D-Struktur beschrieben werden.
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Dieser automatisierte Vergleich der bestimmten Anzahl von tatsächlichen Abmessungen und Referenzabmessungen bestimmt jeweilige Differenzen zwischen den verglichenen Abmessungen, welche positive Abweichungen oder negative Abweichungen sein können.
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Der automatisierte Vergleich kann auch unter Beachtung von vorgegebenen Toleranzen beziehungsweise Toleranzgrenzen erfolgen. Diese Toleranzen beziehungsweise Toleranzgrenzen können ebenfalls für positive Abweichungen und für negative Abweichungen vorgegeben werden. In einer Variante sind diese Toleranzgrenzen für die positiven Abweichungen gleich groß wie die Toleranzgrenzen für die negativen Abweichungen. In einer alternativen Variante sind diese Toleranzgrenzen für die positiven Abweichungen nicht gleich groß wie die Toleranzgrenzen für die negativen Abweichungen. Derart können beispielsweise für ein sogenanntes Übermaß andere Bedingungen gelten als für ein sogenanntes Untermaß, um den vorgegebenen Qualitätsvorgaben zu entsprechen.
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Gemäß dem vorliegenden Verfahren ist es weiterhin vorgesehen, dass erkannte Abweichungen oder erkannte Abweichungen, welche über den vorgegebenen Toleranzgrenzen liegen, durch ein automatisiertes Beeinflussen beziehungsweise Nachjustieren von Bauteilen oder Baugruppen des 3D-Druckers beseitigt werden.
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Vorgesehen ist es, dass eine Nachjustierung eine mechanische Veränderung beispielsweise der Lage oder Anordnung beziehungsweise Ausrichtung eines Bauteils oder einer Baugruppe sein kann.
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Hierfür ist der 3D-Drucker mit entsprechenden Möglichkeiten zur automatischen Nachjustierung auszustatten. Derart könnte beispielsweise eine Nachjustierung einer Lage und/oder einer Ausrichtung eines Druckkopfes eines 3D-Druckers erfolgen.
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Zur Beseitigung von Abweichungen, welche über den vorgegebenen Toleranzgrenzen liegen, ist es weiterhin vorgesehen, dass eine Dicke einer Schicht des aufzutragenden partikelförmigen Baumaterials verändert wird oder dass eine mittels eines Druckkopfs zu dosierende Menge eines Bindemittels erhöht oder vermindert wird. Ebenso könnte die Zusammensetzung des partikelförmigen Baumaterials oder des Bindemittels verändert werden. Alternativ zu diesen Maßnahmen kann eine Reinigung beziehungsweise Zwischenreinigung eines Druckkopfes auftretende Abweichungen verringern.
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Alternativ ist es vorgesehen, dass keine mechanische Veränderung einer Lage, einer Anordnung beziehungsweise einer Ausrichtung eines Bauteils oder einer Baugruppe vorgenommen wird und stattdessen beispielsweise eine Beeinflussung der vom rechnerunterstützten Konstruktionssystem erzeugten Daten zur Erzeugung einer 3D-Struktur erfolgt.
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So kann beispielsweise ein Zeitpunkt, in welchem eine Düse eines Druckkopfes angesteuert wird, also ein Parameter Ansteuerzeitpunkt, verändert werden. Führt der Druckkopf über der Oberfläche des Baufelds eine gleichförmige Bewegung in einem gleichbleibenden Abstand zur Oberfläche des Baufelds aus, so wird durch den Zeitpunkt der Ansteuerung einer Düse eines Druckkopfes die Lage des Auftreffens des durch diese Düse abgegebenen Bindemitteltropfens auf der Oberfläche des Baufelds verändert. Derart ist es möglich, eine erforderliche Nachjustierung der Genauigkeit der Abmessungen der zu erzeugenden 3D-Stuktur durch eine Veränderung des Parameters Ansteuerzeitpunkt zu bewirken.
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Die verfahrensgemäß erkannten Abweichungen oder Abweichungen, welche über den vorgegebenen Toleranzgrenzen liegen, führen somit zu einer Verschiebung des Parameters Ansteuerzeitpunkt einer oder mehrerer Düsen eines oder mehrerer Druckköpfe des 3D-Druckers, um die Abweichungen zu verringern beziehungsweise zu beseitigen.
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Neben der Beeinflussung des Parameters Ansteuerzeitpunkt kann auch eine Veränderung des Parameters Geschwindigkeit, mit welcher sich ein Bauteil oder eine Baugruppe wie ein Druckkopf über der Oberfläche des Baufelds bewegt, vorgesehen sein.
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In einem alternativen Fall kann sowohl eine Beeinflussung des Parameters Ansteuerzeitpunkt als auch eine Veränderung der Geschwindigkeit des Druckkopfes vorgesehen sein.
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Eine weitere Möglichkeit besteht in der Veränderung einer Auswahl von genutzten Düsen in einem Druckkopf. So können beispielsweise Düsen zugeschaltet oder abgeschaltet werden, um die wirksame Breite bei einem Auftragen eines Bindemittels auf ein partikelförmiges Baumaterial auf dem Baufeld durch einen Druckkopf zu vergrößern oder zu verringern oder zu verschieben.
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Zur Erfassung von tatsächlichen Abmessungen einer erzeugten 3D-Struktur ist es vorgesehen, diese Erfassung mittels einer dreidimensionalen Vermessung beziehungsweise eines 3D-Scans durchzuführen, wobei die für einen Vergleich der tatsächlichen Abmessungen der erzeugten 3D-Struktur mit den vorgegebenen Abmessungen, also den Referenzabmessungen, benötigten Daten in Form von dreidimensionalen 3D-Daten erzeugt werden.
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Diese bereitgestellten 3D-Daten, welche die tatsächlichen Abmessungen der erzeugten 3D-Struktur an ausgewählten Punkten auf der Oberfläche der 3D-Struktur abbilden, werden mit den vorgegebenen Abmessungen beziehungsweise Referenzabmessungen, welche ebenfalls als 3D-Daten vorliegen, verglichen und derart Differenzen zwischen den tatsächlichen Abmessungen und den Referenzabmessungen ermittelt.
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Die Erfassung von tatsächlichen Abmessungen einer erzeugten 3D-Struktur mittels eines 3D-Scans bietet die Möglichkeit, die Daten automatisiert digital zu erzeugen und somit sofort an das das vorliegende Verfahren umsetzende Programm zu übergeben. Dieses Programm realisiert den durchzuführenden Vergleich der Abmessungen ebenfalls in digitaler Form. Durch das Programm werden bei diesem Vergleich vorgegebene Toleranzen beachtet und nur dann Fehler ausgegeben, wenn diese außerhalb der vorgegebenen Toleranzgrenzen liegen. Auf der Grundlage dieser erkannten Fehler wird beispielsweise der Parameter Ansteuerzeitpunkt einer oder mehrerer Düsen in einem Druckkopf oder in mehreren Druckköpfen verändert, um die erkannten Differenzen beziehungsweise Abweichungen an einem bestimmten Punkt auf der Oberfläche der erzeugten 3D-Struktur zu verringern oder zu beseitigen.
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Ein das vorliegende Verfahren umsetzende Programm wird beispielsweise in einer zentralen Steuereinheit des 3D-Druckers ausgeführt. Diese zentrale Steuereinheit steuert auch den Ablauf der Erzeugung der 3D-Struktur auf der Grundlage der an sie übergebenen Daten der Abmessungen der zu erzeugenden 3D-Struktur. Derartige Daten können beispielsweise von einem rechnerunterstützten Konstruktionssystem erzeugt und an die zentrale Steuereinheit übergeben werden. Somit verfügt beziehungsweise erzeugt die zentrale Steuereinheit Parameter zur Ansteuerung des 3D-Druckers wie beispielsweise den Parameter des Ansteuerzeitpunkts einer Düse oder den Parameter der Bewegungsgeschwindigkeit einer Baugruppe über dem Baufeld. Somit kann beispielsweise der Parameter Ansteuerzeitpunkt einer Düse durch die zentrale Steuereinheit beeinflusst werden. Dieser Parameter Ansteuerzeitpunkt einer Düse kann durch die zentrale Steuereinheit gegenüber über seinem vorgegebenen Wert des Ansteuerzeitpunkts zeitlich verschoben werden, so dass der verschobene Ansteuerzeitpunkt zeitlich vor oder nach dem vorgegebenen Wert des Ansteuerzeitpunkts liegt. Die Richtung dieser Verschiebung ist abhängig von der Richtung der ermittelten Abweichung der Abmessungen.
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Vorgesehen ist es, dass mehrere oder jede erzeugte 3D-Struktur durch eine dreidimensionale Vermessung beziehungsweise mittels 3D-Scan vermessen wird. Im Gegensatz zu einem einzelnen Scan kann derart eine Aussage darüber getroffen werden, ob ein aufgetretener Fehler beziehungsweise eine zu große Abweichung ein einzelner zufälliger Fehler war oder ob eine systematische Abweichung vorliegt.
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Derart kann beispielsweise bei einem Auftreten eines einmaligen Fehlers beziehungsweise einer einmaligen zu großen Abweichung eine andere Fehlerprozedur gestartet werden als bei einem Auftreten systematischer Fehler oder zu großer Abweichungen.
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So kann beispielsweise nur bei einem Auftreten systematischer Fehler ein Parameter wie ein Ansteuerzeitpunkt einer Düse eines Druckkopfes verändert werden.
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Vorgesehen ist es auch, dass bei einem Auftreten von systematischen Fehlern eine Mittelwertbildung der erkannten Abweichungen erfolgt und dass auf der Basis dieses bestimmten Mittelwerts ein Parameter wie ein Ansteuerzeitpunkt einer Düse eines Druckkopfes automatisch verändert wird.
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Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigt:
- 1: eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung,
- 2: eine Darstellung eines prinzipiellen Ablaufs des Verfahrens und
- 3a und 3b: jeweils einen Vergleich einer im 3D-Druck erzeugte 3D-Struktur mit einer zugehörigen Referenz.
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In der 1 ist eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt.
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Der nur prinzipiell dargestellte 3D-Drucker 1 weist ein Baufeld 2 auf. Im Baufeld 2 befindet sich partikelförmiges Baumaterial 3 in loser Form und in einem Teilbereich in einer selektiv verfestigten Form 4 des partikelförmigen Baumaterials 3. In diesem Teilbereich, in welchem das partikelförmige Baumaterial 3 in der verfestigten Form 4 vorliegt, wird die 3D-Struktur erzeugt.
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Über dem Baufeld 2 werden die Arbeitsmittel 5 des 3D-Druckers beispielsweise in der dargestellten Bewegungsrichtung 6 und mit einem gleichbleibenden Abstand zur Oberfläche des Baufelds 2 bewegt. Derartige Arbeitsmittel 5 des 3D-Druckers können beispielsweise ein Mittel zum Austragen beziehungsweise Auftragen des partikelförmigen Baumaterials 3, ein Mittel zum Glätten des ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials 3, ein Mittel zum Verdichten des partikelförmigen Baumaterials 3 oder ein Druckkopf zum Auftragen eines Bindemittels sein.
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In einem Bereich des Arbeitsmittels 5 ist mindestens ein Druckkopf mit mindestens einer Düse angeordnet, mittels welcher beispielsweise ein Tropfen eines Bindemittels zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials 3 auf die Oberfläche des Baufelds 2 aufgetragen beziehungsweise aufdosiert wird.
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Eine zentrale Steuereinheit 7 steuert alle Arbeitsabläufe innerhalb des 3D-Druckers 1 und überträgt Steuerdaten 8 an die Arbeitsmittel 5 zur Erzeugung einer 3D-Struktur 10. Diese Steuerdaten 8 beinhalten auch Parameter, welche beispielsweise eine Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel 5 in der beispielhaften Bewegungsrichtung 6 oder einen Ansteuerzeitpunkt für eine Düse in einem Druckkopf eines Arbeitsmittels 5 festlegen.
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Zur Erzeugung einer 3D-Struktur 10 werden der zentralen Steuereinheit 7 Eingangsdaten 9 übermittelt, welche beispielsweise die Abmessungen der zu erzeugenden 3D-Struktur 10 beschreiben. Diese Eingangsdaten 9 können die Abmessungen der zu erzeugenden 3D-Struktur 10 auch je Schicht der zu erzeugenden 3D-Struktur 10 beschreiben beziehungsweise enthalten. Mittels dieser Eingangsdaten 9 erzeugt die zentrale Steuereinheit 7 die Steuerdaten 8 mit ihren Parametern.
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Beispielsweise nach der Erzeugung der 3D-Struktur 10 wird diese dreidimensional vermessen, um Daten über die tatsächlichen Abmessungen der erzeugten 3D-Struktur zu erhalten. Dieses Vermessen kann beispielsweise mittels einer 3D-Scan-Anordnung 11 erfolgen. Zu diesem Zweck weist die 3D-Scan-Anordnung 11 beispielsweise mehrere Sensoren 12 auf, welche die erzeugte 3D-Struktur 10 aus mehreren Richtungen scannen und derart 3D-Daten 13 zu einzelnen Punkten auf der Oberfläche der erzeugten 3D-Struktur 10 erzeugen. Diese 3D-Daten 13 werden an die zentrale Steuereinheit 7 übertragen.
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In der zentralen Steuereinheit 7 werden die Vorgabedaten beziehungsweise die Eingabedaten 9 mit den im Scan erzeugten 3D-Daten 13 verglichen. Somit werden Abweichungen zwischen den vorgegebenen Abmessungen für die zu erzeugende 3D-Struktur und den durch den 3D-Drucker erzeugten Abmessungen der erzeugten 3D-Struktur bestimmt. Derartige Abweichungen stellen die Differenz zwischen den mittels eines rechnerunterstützten Konstruktionssystems erzeugten Eingabedaten 9 und den im Scan erzeugten 3D-Daten 13 der tatsächlichen Abmessungen der erzeugten 3D-Struktur dar.
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Auf der Grundlage dieser ermittelten Differenzen kann beispielsweise ein Ansteuerzeitpunkt einer Düse eines Druckkopfes im 3D-Drucker 1 verändert werden. Durch die zeitliche Verschiebung des Ansteuerzeitpunkts einer Düse wird der Teilbereich, in welchem das partikelförmige Baumaterial 3 in einer selektiv verfestigten Form 4 auf dem Baufeld 2 vorliegt, verändert beziehungsweise verschoben. Diese Verschiebung verändert auch die Abmessungen der Innen- oder Außenkonturen der zu erzeugenden 3D-Struktur.
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Derart wird eine verfahrensgemäße Beeinflussung von Bauteilen oder Baugruppen in einem 3D-Drucker zur Verbesserung der Genauigkeit der zu erzeugenden 3D-Struktur 10 erreicht.
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Bei diesem Vorgang können auch vorgegebene Toleranzen für zulässige Differenzen beziehungsweise Abweichungen beachtet werden. So wird beispielsweise nur für den Fall, dass eine zulässige Toleranz überschritten oder unterschritten wird, eine Verschiebung des Ansteuerzeitpunkts einer Düse vorgenommen. Hierbei können auch unterschiedliche Toleranzen für unterschiedliche Richtungen von Differenzen beziehungsweise Abweichungen beachtet werden. So kann beispielsweise für ein Übermaß eine andere Toleranz vorgegeben werden als für ein Untermaß.
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Die 2 zeigt eine Darstellung eines prinzipiellen Ablaufs des Verfahrens.
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Nach einem Start des Verfahrens im Schritt 14 wird im nachfolgenden Verarbeitungsschritt 15 aus den Eingangsdaten 9 eine Erzeugung von Steuerdaten 8 mit ihren Parametern durchgeführt. Diese Erzeugung der Steuerdaten 8 wird mittels einer in der 2 nicht dargestellten zentralen Steuereinheit 7 durchgeführt. Die derart erzeugten Steuerdaten 8 werden an die Arbeitsmittel 5 des 3D-Druckers 1 übertragen.
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Mittels dieser Steuerdaten 8 erfolgt die Erzeugung einer 3D-Struktur 10 im 3D-Drucker 1. Der 3-Drucker 1, die Steuerdaten 8 und die 3D-Struktur 10 sind in der 2 nicht dargestellt.
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Im nachfolgenden Vergleich 16 beziehungsweise Vergleichsschritt 16 wird für den Fall, dass noch keine 3D-Struktur 10 im 3D-Drucker 1 erzeugt wurde, keine Veränderung der Parameter beziehungsweise der Steuerdaten 8 erfolgen.
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Nachfolgend im Schritt 17 erfolgt eine Erzeugung einer 3D-Struktur.
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Im Schritt 18 erfolgt eine dreidimensionale Vermessung der erzeugten 3D-Struktur 10. Ein derartiges Vermessen kann mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen, welche entsprechende Messdaten erzeugen und diese beispielsweise als 3D-Daten 13 an die zentrale Steuereinheit 7 übertragen können.
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Im Beispiel der 1 erfolgt das dreidimensionale Vermessen mittels eines 3D-Scans. Ein derartiges Vermessen erzeugt entsprechende 3D-Daten 13, welche zum Schritt 16 zurückgeführt werden.
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Im Schritt 19 ist die Erzeugung und Vermessung der erzeugten 3D-Struktur abgeschlossen und das Verfahren wird im Schritt 20 beendet. Alternativ kann das Verfahren auch mehrmals ablaufen, um nacheinander mehrere 3D-Strukturen zu erzeugen. Eine entsprechende Rückführung zum Beginn des Verfahrens ist in der 2 nicht dargestellt.
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Für den Fall, dass entsprechende 3D-Daten 13 zum Schritt 16 zurückgeführt werden, erfolgt im Schritt 16 ein Vergleich. Bei diesem Vergleich werden Abweichungen zwischen den vorgegebenen Abmessungen und den durch den 3D-Drucker erzeugten tatsächlichen Abmessungen der 3D-Struktur 10 ermittelt und als Differenzen beziehungsweise Abweichungen abgespeichert. Bei einem derartigen Vergleich werden somit die Daten der vorgegebenen Abmessungen mit den Daten der tatsächlichen Abmessungen verglichen.
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Überschreitet eine bei diesem Vergleich festgestellte Differenz beziehungsweise Abweichung eine vorgegebene Toleranzgrenze, wird im Schritt 16 mindestens ein Parameter der Steuerdaten 8 verändert, um die erkannte Abweichung zu verringern oder zu beseitigen. Ein derartiger Parameter ist beispielsweise ein Zeitpunkt für eine Ansteuerung einer Düse in einem ein Bindemittel auftragenden Druckkopf, wobei auch eine Veränderung mehrerer Zeitpunkte für mehrere Düsen erfolgen kann.
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Alternativ kann auch, ohne eine Toleranzgrenze zu beachten, bei einer festgestellten Abweichung zwischen den vorgegebenen Abmessungen und den durch den 3D-Drucker erzeugten tatsächlichen Abmessungen der 3D-Struktur 10 im Schritt 16 mindestens ein Parameter der Steuerdaten 8 verändert werden, um die erkannte Abweichung zu verringern oder zu beseitigen.
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In diesem Fall erfolgt die Erzeugung einer weiteren 3D-Struktur im Schritt 17 unter Beachtung der im Vergleich 16 angepassten beziehungsweise veränderten Steuerdaten 8 mit ihren angepassten beziehungsweise veränderten Parametern.
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In der 3a und 3b sind jeweils eine im 3D-Druck erzeugte 3D-Struktur 10 und eine zugehörige Referenz 21 im Vergleich ihrer Außenabmessungen miteinander dargestellt, wobei die 3a eine perspektivische Darstellung und die 3b eine Draufsicht zeigen.
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Die Referenz 21 stellt eine 3D-Struktur dar, welche durch den Vorgang der Erzeugung einer 3D-Struktur im 3D-Drucker erzeugt werden soll und keine Abweichungen von den vorgegebenen Abmessungen aufweist.
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Die erzeugte 3D-Struktur 10 ist das Ergebnis der Erzeugung einer 3D-Struktur im 3D-Drucker und kann unerwünschte, fertigungsbedingte Abweichungen von den vorgegebenen Abmessungen aufweisen.
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Die Referenz 21 kann alternativ nur als ein Datensatz beziehungsweise als die Daten der vorgegebenen Abmessungen für die zu erzeugende 3D-Struktur aufgefasst werden. Die Referenz 21 muss für das vorliegende Verfahren und den durchgeführten Vergleich der Daten beziehungsweise 3D-Daten nicht körperlich vorliegen.
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Wie es im Beispiel der 3a zu erkennen ist, weist die erzeugte 3D-Struktur 10 eine dreidimensionale Erstreckung auf, wobei eine Erstreckung in der dargestellten X-Richtung als Länge, eine Erstreckung in der dargestellten Y-Richtung als Breite und eine Erstreckung in der dargestellten Z-Richtung als Höhe der 3D-Struktur 10 bezeichnet werden soll.
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In der 3a ist eine prinzipielle Darstellung der erzeugten 3D-Struktur 10 mit ihrer zugehörigen Referenz 21 gezeigt, welche verdeutlichen soll, dass bedingt durch Fertigungstoleranzen Abweichungen auftreten, wobei die Abweichungen nur in einer Dimension, in zwei Dimensionen oder in allen drei Dimensionen auftreten können.
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Wie es in der 3b mittels mehrerer Punkt-Punkt-Linien dargestellt ist, werden Toleranzschwellen für zulässige Abweichungen festgelegt. Diese Toleranzschwellen für positive und für negative Abweichungen können beispielsweise, wie in der 3b dargestellt, +0,3 mm und -0,3 mm betragen, wobei eine Einschränkung weder bezüglich des Wertes noch der Symmetrie der Abweichungen einschränkend vorgesehen ist.
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Für den Fall, dass die erzeugte 3D-Struktur 10 beispielsweise in ihrer Länge in X-Richtung ein Übermaß aufweist, so darf diese Abweichung für den Fall der Nutzung von vorgegebenen Toleranzgrenzen nur bis zu +0,3 mm betragen, ansonsten liegt die Länge der erzeugten 3D-Struktur 10 nicht innerhalb der vorgegebenen Toleranzschwelle.
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Im Fall ohne eine Nutzung von vorgegebenen Toleranzgrenzen ist es vorgesehen, jede festgestellte Differenz zwischen den vorgegebenen Abmessungen und den durch den 3D-Drucker erzeugten tatsächlichen Abmessungen der 3D-Struktur 10 als zu korrigierende Abweichung anzusehen und mindestens einen Parameter der Steuerdaten 8 zu verändern, um eine derartige festgestellte Differenz für eine nachfolgend zu erzeugende 3D-Struktur 10 zu verringern oder zu beseitigen.
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Für den Fall, dass die erzeugte 3D-Struktur 10 beispielsweise in ihrer Länge in X-Richtung ein Untermaß aufweist, so darf diese Abweichung nur bis zu -0,3 mm betragen, ansonsten liegt die Länge der erzeugten 3D-Struktur 10 nicht innerhalb der vorgegebenen Toleranzschwelle.
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Wird beispielsweise die Toleranzschwelle der Länge der erzeugten 3D-Struktur 10 von maximal +0,3 mm überschritten, wie es im linken Teil der 3b als Abweichung 22a dargestellt ist, erfolgt verfahrensgemäß eine Veränderung mindestens eines Parameters der Steuerdaten 8, wobei die Veränderung dieses Parameters derart erfolgt, dass die Differenz für eine nachfolgend zu erzeugende 3D-Struktur 10 verringert oder beseitigt wird.
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Die Abweichung 22a ist als Punkt auf der linken Körperkante der in der 3b dargestellten erzeugten 3D-Struktur 10 dargestellt, weil das vorliegende Verfahren den durchzuführenden Vergleich der Daten beziehungsweise 3D-Daten punktweise vornehmen kann. Derart können beispielsweise in der 3b nicht dargestellte verschiedene Abweichungen auf der linken Körperkante der 3D-Struktur 10 punktweise erkannt, punktweise verarbeitet und punktweise verschieden korrigiert werden.
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Eine Vereinfachung des Verfahrens kann darin bestehen, dass nur ein Punkt einer Abweichung, wie die Abweichung 22a oder ein Mittelwert, gebildet aus zwei, drei oder vier auf der linken Körperkante aufgefundenen Abweichungen, zur verfahrensgemäßen Veränderung mindestens eines Parameters verwendet wird.
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Im Beispiel der 3b kann ein Zeitpunkt, in welchem eine Düse eines Druckkopfes angesteuert wird, also der Parameter Ansteuerzeitpunkt einer Düse, verändert werden. Angenommen wird es, dass ein ein Bindemittel aufbringender nicht dargestellter Druckkopf in der 3b von links nach rechts über das Baufeld bei der Erzeugung der 3D-Struktur 10 bewegt wird und eine zum Punkt der Abweichung 22a zugehörige Düse aufweist. Wird in diesem Fall der 3b der Zeitpunkt, in welchem die entsprechende Düse des Druckkopfes angesteuert wird, später gewählt, so wird sich die linke Körperkante beziehungsweise der Punkt der Abweichung 22a in der 3b nach rechts verschieben. Derart wird die Abweichung 22a kleiner. Wird der Zeitpunkt der Ansteuerung der Düse entsprechend verschoben, wird es erreicht, dass die Abweichung 22a nicht mehr auftritt, da die linke Körperkante nun beispielsweise mit einer Abweichung von +0,2 mm innerhalb der vorgegebenen Toleranzschwelle liegt, was in der 3b nicht dargestellt ist.
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Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass für den Fall, dass eine Abweichung eines Punktes oder einer Körperkannte der erzeugten 3D-Struktur 10 innerhalb der Toleranzschwelle liegt oder mehrfach beispielsweise an der Grenze der Toleranzschwelle bei +0,3 mm liegt, durch einen qualifizierten Bediener eine Veränderung mindestens eines Parameters unabhängig vom Verfahren vorgenommen wird.
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Außerdem ist es verfahrensgemäß vorgesehen, dass der Vergleich der im 3D-Drucker erzeugten 3D-Struktur 10 und der zugehörige Referenz 21 schichtweise analog der schichtweisen Erzeugung der 3D-Struktur erfolgt. Derart können verschiedene Abweichungen in verschiedenen Schichten erkannt und verfahrensgemäß verringert oder beseitigt werden.
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Ein Unterschied in den Abweichungen in verschiedenen Schichten bei der Erzeugung der 3D-Struktur 10 kann beispielsweise dadurch verursacht werden, dass das partikelförmige Baumaterial oder das Bindemittel zum selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials in unterschiedlichen Bewegungsrichtungen der Arbeitsmittel des 3D-Druckers aufgebracht wird. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das partikelförmige Baumaterial und/oder das Bindemittel sowohl in einer ersten Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel des 3D-Druckers über das Baufeld als auch in einer zweiten Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel des 3D-Druckers über das Baufeld aufgetragen werden, wobei die zweite Bewegungsrichtung entgegen der ersten Bewegungsrichtung gerichtet ist.
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Als weiteres Beispiel für eine Differenz der Abmessung der im 3D-Druck erzeugten 3D-Struktur 10 und der zugehörigen Referenz 21 ist die Abweichung 22b beispielhaft in der 3b gezeigt. In diesem Fall wurde die zulässige Toleranzschwelle von -0,3 mm bezüglich der Breite der erzeugten 3D-Struktur 10 unterschritten. Auch in diesem Fall wird eine verfahrensgemäße Veränderung mindestens eines Parameters vorgenommen, um die Abweichung 22b oder die gesamte untere Körperkante der 3D-Struktur 10 in der 3b zu verschieben und somit Differenzen für eine nachfolgend zu erzeugende 3D-Struktur 10 zu verringern oder zu beseitigen. In diesem Fall kann es vorgesehen sein, dass Düsen eines ein Bindemittel aufbringenden Druckkopfes angesteuert oder zugeschaltet werden, welche zuvor nicht genutzt wurden. Durch diese Ansteuerung einer oder mehrerer zusätzlicher Düsen wird die Breite der zu erzeugenden 3D-Struktur 10 vergrößert und somit das aufgetretene Untermaß in der Breite beseitigt.
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Auch das Zuschalten oder Abschalten von Düsen eines Druckkopfes für eine nachfolgend zu erzeugenden 3D-Struktur stellt eine Veränderung des Ansteuerzeitpunkts einer Düse bei der Erzeugung einer 3D-Struktur 10 dar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- 3D-Drucker
- 2
- Baufeld
- 3
- partikelförmiges Baumaterial
- 4
- selektiv verfestigte Form des partikelförmigen Baumaterials
- 5
- Arbeitsmittel
- 6
- Bewegungsrichtung
- 7
- zentrale Steuereinheit
- 8
- Steuerdaten / Parameter
- 9
- Eingangsdaten
- 10
- 3D-Struktur
- 11
- 3D-Scan-Anordnung
- 12
- Sensor
- 13
- 3D-Daten
- 14
- Start
- 15
- Verarbeitungsschritt / Erzeugung Steuerdaten
- 16
- Vergleich
- 17
- Erzeugung der 3D-Struktur
- 18
- Vermessen
- 19
- 3D-Struktur fertig und vermessen
- 20
- Ende
- 21
- Referenz
- 22a, 22b
- Abweichung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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