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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur additiven Fertigung, auf ein additiv gefertigtes Bauteil, auf einen 3D-Drucker und insbesondere auf einen Produktschutz von additiv gefertigten Bauteilen mittels prozessintegrierter Kennzeichnung durch eine spezielle Bauplattform.
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HINTERGRUND
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In einigen Branchen, wie zum Beispiel der Luftfahrtindustrie oder der Medizintechnik, werden vermehrt Bauteile über additive Fertigungsverfahren mittels eines 3D-Druckers hergestellt. Dies betrifft insbesondere Bauteile, an die spezielle Anforderungen gestellt werden bzw. die bestimmte Sicherheitsstandards erfüllen müssen. Bei solchen Bauteilen ist es darüber hinaus von besonderer Notwendigkeit, dass eine Rückverfolgung der Herstellungskette bis auf den 3D Drucker, mit dem sie hergestellt wurden, möglich ist. Idealerweise kann dem Bauteil selbst diese herstellungsspezifische Information entnommen werden.
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Bei konventionellen Verfahren zum Produktschutz wird beispielswese ein QR-Code oder eine Firmenlogo als separates Objekt in das Bauteil integriert oder eingebettet. Dabei kann bei der CAD Modellerstellung das Logo an einer Stelle der Bauteiloberfläche eingebettet werden. Teilweise erfolgt die Produktkennzeichnung bzw. der Produktschutz über komplette oder teilweise Aussparungen des Materials auf der Bauteiloberfläche.
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Diese konventionellen Lösungen haben eine Reihe von Nachteilen. So haben die Aussparungen oder Schriftzügen auf den Bauteiloberflächen eine gewisse, konstruktionsbedingte, Größe bzw. Größenordnungen, die oft nur schwer einzuhalten sind (z.B. wegen einer Mindestauflösung). Darüber hinaus lassen sich Logos, Schriftzüge oder auch QR Codes mit anderen Techniken, wie z.B. 3D Scannern auslesen und nachmodellieren, sodass bei einer Kopie des Bauteils auch die Produktkennzeichnung/der Produktschutz mit kopiert werden kann. Diese einfache Reproduktion basiert darauf, dass die kennzeichnenden bzw. schützenden Informationen im Millimeter- bzw. Mikrometerbereich vorliegen und es dafür zahlreiche optische Verfahren gibt, die ein Auslesen der vorliegenden Strukturen einfach ermöglichen.
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Daher besteht ein Bedarf nach alternativen Möglichkeiten, einen effektiven Produktschutz bereitzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch ein Verfahren zum Produktschutz nach Anspruch 1, ein Bauteil nach Anspruch 6 und einen 3D-Drucker nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen der beanspruchten Gegenstände.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Produktschutz eines additiv gefertigten Bauteils. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen einer Bauplattform, die eine Oberflächenstruktur aufweist, wobei die Oberflächenstruktur zumindest ein diffraktives optisches Element aufweist; und
- - Additives Fertigen des Bauteils ausgehend von der Bauplattform, sodass ein Negativ der Oberflächenstruktur additiv gefertigt wird und dadurch der Produktschutz als ein integraler Bestandteil des Bauteils zusammen mit dem Bauteil gefertigt wird.
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Das Negativ des diffraktiven optischen Elements wird daher als erste Schicht des Bauteils additiv gefertigt und bildet daher eine äußere Oberfläche. Es wird ein integraler Bestandteil des Bauteils. Es ist kein separates Teil, welches angebracht oder eingebettet wird. Insbesondere weist der Produktschutz daher ein gleiches Material auf wie das Bauteil selbst. Diffraktive Elemente haben per Definition eine Ausdehnung von 300 ... 700 nm, um Interferenzen im sichtbaren Licht durch Beugung zu erzeugen und dadurch beispielsweise ein Hologramm zu erzeugen.
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Optional umfasst das additive Fertigen folgende Verfahren: Fused-Filament-Fabrication, FFF, oder Stereolithografie. Es sind aber noch weitere Verfahren möglich (Laser-Sintern, Laser-Strahlschmelzen etc.).
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Optional ist die Oberflächenstruktur in dem Schritt des Bereitstellens Folgendes: ein auflegbarer nanostrukturierter Urmaster und/oder eine aufgeklebte Folie und/oder ein integraler Bestandteil der Bauplattform (d.h. eine nanostrukturierte Bauplattform). Ein Urmaster stellt ein Gegenstück zu einer Struktur, die eine nanostrukturierte Oberfläche aufweist, die dann spiegelbildlich in das Bauteil (automatisch) gefertigt wird. Insbesondere ist keine Änderung der Programmierung des 3D-Drucks erforderlich, da die nanostrukturierte Oberfläche nicht aktiv gedruckt wird, sondern „nur“ ein Abbild des Untergrundes (d.h. des Urmasters) darstellt. Es ist nicht Teil der Software, die den 3D-Drucker ansteuert.
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Optional umfasst der nanostrukturierte Urmaster in dem Schritt des Bereitstellens zumindest eines der folgenden Materialien: ein Metall, insbesondere Nickel, Glas, Kunststoff. Der Urmaster kann optional in dem Schritt des Additive Fertigens erwärmt werden.
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Optional wird in dem Schritt des additiven Fertigens ein Hologramm auf einer Oberfläche des Bauteils erzeugt.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Bauteil, das eine nanostrukturierte Oberfläche mit zumindest einem diffraktiven optischen Element umfasst. Das diffraktive optische Element wird zusammen mit dem Bauteil additiv gefertigt, um den Produktschutz bereitzustellen. Es ist somit als ein monolithischer Bestandteil in dem Bauteil integriert.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf einen 3D-Drucker mit einer Bauplattform. Die Bauplattform umfasst eine Oberflächenstruktur, die zumindest ein diffraktives optisches Element aufweist, um ein zuvor definiertes Bauteil additiv zu fertigen.
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Diffraktive optische Elemente sind beispielsweise Träger, auf die durch Fotolithografie Mikrostrukturen aufgebracht werden, um über Beugung an optischen Gittern Muster oder Objekte darzustellen. Unterschiedliche optische Weglängen der Teilstrahlen erzeugen Phasenmodulationen, wodurch Interferenzmuster entstehen. Um Interferenzen im optisch sichtbaren Spektralbereich zu bewirken, haben die diffraktiven optischen Elemente Abmaße in der Größe der Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereichs (300 nm ... 700 nm).
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Konventionelle fälschungssichere Kennzeichnungen sind im Gegensatz zu Ausführungsbeispielen aufwendig (z.B. Aufkleber mit Hologrammen), sind eher unsicher und greifen sogar in die Bauteilstruktur ein (eingedruckte RFID-Chips, eingedruckte Muster). Die Kennzeichnung von Bauteilen zur eindeutigen Identifikation und Rückverfolgbarkeit ist in solchen konventionellen Verfahren auf bestimmte Lösungen beschränkt.
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Ausführungsbeispiele überwinden Nachteile der konventionellen Verfahren zum Produktschutz durch eine duale Lösung, welche in den Herstellungsprozess direkt implementiert wird und die eine Produktrückverfolgung als auch einen Produktschutz ermöglicht. Ausführungsbeispiele erreichen eine fälschungssichere Kennzeichnung durch ein diffraktives optisches Element, dessen Erzeugung in dem Herstellungsprozess des additiv gefertigten Bauteils integriert ist und auf der Oberfläche des gefertigten Bauteils sichtbar ist.
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Im Gegensatz zu den konventionellen Verfahren nutzen Ausführungsbeispiele beim Kunststoff-3D-Druck die Bauplattform, d.h. die Fläche, auf der das spätere Produkt gedruckt wird. Dort wird beispielsweise eine Metallplatte (als Urmaster) aufgelegt, deren Oberfläche nanostrukturiert wurde und ein Negativ eines Hologramms umfasst. Beim Druckvorgang formt sich dann auf der Unterseite des gedruckten Bauteils die Nanostruktur als Positiv ab und das Hologramm erscheint auf dem gedruckten Bauteil. Ausführungsbeispiele setzen den Urmaster direkt im Fertigungsprozess ein und ermöglichen damit die additive Fertigung von Mikrostrukturen. Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf eine Anwendung der Technologie zur Rückverfolgbarkeit und zum Produktschutz bei additiv gefertigten Bauteilen mittels Mikrostrukturen, z.B. Hologrammen.
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Weitere Vorteile von Ausführungsbeispielen ergeben sich auf verschiedenen Ebenen. Der Hersteller von hochwertigen und schützenswerten Produkten, oder auch von Produkten, bei denen eine Nachverfolgung notwendig bzw. sinnvoll ist, kann durch die Integration eines individuellen Urmasters in die Bauplattform des 3D-Druckers seine additiv gefertigten Bauteile schützen. Damit wird eine individuelle Kennzeichnung erreicht (zum Beispiel: Firmenlogo, Seriennummern, Produktschutzhologramme etc.). Durch die direkte Integration in die Fertigung sind keine zusätzlichen Bearbeitungsschritte des Bauteils (weder CAD Modell noch Nachbearbeitung des Bauteils) notwendig und auch die bereits bekannten Prozessparameter können beibehalten werden. Im Weiteren hilft das Einbringen von Hologrammen dem Verbraucher die Echtheit des Bauteils zu überprüfen.
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Figurenliste
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 zeigt ein schematisches Flussdiagram für ein Verfahren zum Produktschutz gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel basierend auf einer FFF-additiven Fertigung.
- 3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel basierend auf einer Stereolithographie.
- 4 zeigt eine Bauplattform eines SLA-Druckers, die gemäß Ausführungsbeispielen verändert wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt ein schematisches Flussdiagram für ein Verfahren zum Produktschutz eines additiv gefertigten Bauteils. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- Bereitstellen S10 einer Bauplattform, die eine Oberflächenstruktur aufweist, wobei die Oberflächenstruktur zumindest ein diffraktives optisches Element aufweist; und
- Additives Fertigen S20 des Bauteils ausgehend von der Bauplattform, sodass ein Negativ der Oberflächenstruktur additiv gefertigt wird und dadurch der Produktschutz als ein inhärentes Teil des Bauteils erzeugt wird.
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Es versteht sich, dass der eigentliche 3D-Druckprozess ebenfalls Computerimplementiert sein kann, d.h. er kann durch Anweisungen umgesetzt sein, die auf einem Speichermedium gespeichert sind und in der Lage sind, den Schritt der additiven Fertigung auszuführen, wenn es auf einem Prozessor läuft. Die Anweisungen umfassen typischerweise eine oder mehrere Anweisungen, die auf unterschiedliche Art auf unterschiedlichen Medien in oder peripher zu einer Steuereinheit (mit einem Prozessor) gespeichert sein können, die, wenn sie gelesen und durch die Steuereinheit ausgeführt werden, die Steuereinheit dazu veranlassen, Funktionen, Funktionalitäten und Operationen auszuführen, die zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig sind. Allerdings werden diese Anweisungen nicht durch den Produktschutz geändert, d.h. die Oberflächenstruktur ist nicht in der Software codiert, sondern in der geänderten Bauplattform.
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Zur Umsetzung des Verfahrens kommen insbesondere zwei additive Fertigung in Betracht, die auch auf die Integrierbarkeit von diffraktiven optischen Elementen getestet wurden. Dabei handelt es sich um die sogenannte Fused-Filament-Fabrication (Abk. FFF) und die Stereolithografie (Abk. SLA oder DLP). Nachfolgend sollen zuerst beide Verfahren kurz erläutert werden.
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2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel basierend auf der FFF-additiven Fertigung. Der 3D-Drucker druckt auf eine Bauplattform 20 unter Verarbeitung eines thermoplastischen Kunststoffes, welcher als Draht 60 vorliegt, Schicht für Schicht ein Bauteil 10. Der thermoplastische Draht 60 wird über eine Fördereinheit 50 in eine beheizte Düse 55 bewegt und dort verflüssigt. Der geschmolzene Kunststoff wird schichtweise auf die Bauplattform 20 aufgebracht und bildet dort das Bauteil 10.
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Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst die Bauplattform 20 des 3D-Druckers eine Oberflächenstruktur 25 mit zumindest einem diffraktiven optischen Element. Beispielsweise kann eine konventionelle Bauplattform angepasst werden, indem ein sogenannter Urmaster 25 bzw. ein Replikat davon in die Bauplattform 20 integriert wird oder daraufgelegt wird. Der Urmaster 25 kann flächig oder auch nur in einem Bereich (z.B. als Spotbereich) ausgeführt werden und umfasst das diffraktive Element (z.B. als Hologramm), welches wiederum den Produktschutz realisiert. Das diffraktive optische Element 25 stellt z.B. eine einfache Nanostruktur dar und wird dann beim Drucken in die erste(n) Schicht(en) abgeformt und ist dauerhaft auf der Bauteiloberfläche vorhanden. Dadurch wird es als Produktschutz für Anwender oder Kunden gut sichtbar.
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Für die Bauplattform 20 können Hochleistungskunststoffe wie beispielsweise Polyetherimid oder Gläser genutzt werden. Gemäß Ausführungsbeispielen kann eine vorhandene Standard-Bauplattform auch ersetzt werden durch einen sogenannten Urmaster 25 bzw. der Urmaster wird in die bereits vorhandene Plattform 20 integriert (siehe 2). Der Urmaster 25 kann eine Nickellegierung umfassen (oder ein anderes Metall, Glas oder einen Kunststoff). Dies stellt die einzige Modifizierung dar. Die Prozessführung beim 3D-Druck selbst wird gemäß Ausführungsbeispielen nicht geändert.
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Tests haben ergeben, dass die Integration eines Urmasters 25 in konventionellen FFF-Druckern (auch in Systemen für Hochleistungskunststoffe) möglich ist. Es wurden Probekörper aus dem Standardkunststoff Polylactid in verschiedenen Farben, dem technische Kunststoff Polycarbonat und dem Hochleistungskunststoff Polyetheretherketon hergestellt. Neben dem Material wurden auch prozesstypische Parameter variiert. Die Tests haben ergeben, dass sich die Nanostruktur mit üblichen Prozessparametern direkt in die Bauteile übertragen werden.
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Ein Test wurde beispielsweise mit den folgenden Parametern durchgeführt:
| Material | PLA Schwarz Filamentworld |
| Düse [mm] | 0,8mm |
| Bauteil | Zylinder 80mm Durchmesser 1mm Höhe |
| X-Offset [mm] | -50 |
| Y-Offset [mm] | 8 |
| Z-Offset [mm] | 0 |
| Skaliert auf [mm] | - |
| Layer Height [mm] | 0,2 |
| Initial Layer Height [mm] | 0,2 |
| Initial Layer Line Width [mm] | 0,7 |
| Line Width [mm] | 0,7 |
| Material Flow | 100% |
| Wall Line Count [mm] | 3 |
| Top Layers | 6 |
| Bottom Layers | 6 |
| Top/Bottom Pattern | Lines |
| Infill Density [%] | 20 |
| Infill Pattern | Lines |
| Düsentemperatur [°C] | 240 |
| Heizbetttemperatur [°C] | 60 |
| Substrat | Platte A, Hologramm 1 |
| Print Speed [mm/s] | 40 |
| Infill Speed [mm/s] | 40 |
| Top/Bottom Speed [mm/s] | 20 |
| Travel Speed [mm/s] | 120 |
| Initial Layer Speed [mm/s] | 30 |
| Brim Speed [mm/s] | 30 |
| Slicer | Cura 4.4.0 |
| Haftvermittler | Brim 8 Bahnen |
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Das Hologramm sehr gut sichtbar, der Farbverlauf ging von dunkelblau nach orange.
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3 veranschaulicht eine additive Fertigung gemäß der Stereolithografie unter Nutzung eines SLA-Druckers gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. Bei der verwendeten Stereolithografie werden flüssige Kunstharze 15 genutzt, die sich z.B. zusammen mit einer Bauplattform 20 (z.B. aus Aluminium oder Edelstahl) in einem Behälter 30 befindet können. Durch ein selektives Belichten durch eine UV-Quelle 40 verbindet sich das Harz 15 auf der Bauplattform 20 zu dem gewünschten Bauteil 10. Die Fertigung erfolgt wieder schichtweise, wobei die Bauplattform 20 entsprechend vertikal nach oben bewegt wird. Die gezeigte Stereolithographie stellt nur ein Beispiel dar. Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele kann die Belichtung auch von oben erfolgen und Bauplattform dementsprechend nach unten bewegt werden.
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4 zeigt eine Bauplattform 20 eines beispielhaften SLA-Druckers, die gemäß Ausführungsbeispielen verändert wird, um ein diffraktives optisches Element 25 in den additiven Herstellungsprozess zu integrieren. Hierzu kann beispielsweise eine nanostrukturierte Folie 25 verwendet werden, die z.B. auf die Bauplattform 20 aufgeklebt oder anderweitig befestigt wird.
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Tests haben gezeigt, dass ein Probekörper aus üblichem Kunstharz auf einem SLA Drucker mit einer übertragenen Nanostruktur 25 hergestellt werden konnte, ohne dass Prozessparameter angepasst oder weitere Modifikationen vorgenommen wurden.
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Unabhängig von der genutzten additive Fertigung besteht eine Besonderheit von Ausführungsbeispielen darin, dass das diffraktive optische Element 25 Strukturen im Nanobereich (< 1 µm) aufweist. Dadurch wird die Informationsübertragung in Form eines Hologramms realisiert. Ein einfaches Auslesen ist nicht möglich. Die Erfassung von Nanostrukturen erfordert aufwendige Messverfahren und kann mit den oben genannten Erfassungssystemen nicht ausgelesen und daher auch nicht mit den genannten Replikationstechniken so einfach kopiert werden. Die relevanten Nanostruktur-Informationen liegen nur dem Hersteller des Urmasters vor. Ausführungsbeispiele realisieren so das Einbringen eines Produktschutzes auf der Oberfläche des additiv gefertigten Bauteils 10, und zwar direkt im Herstellungsprozess des Bauteils 10.
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Die Bauplattform 20 kann optional zusammen mit der nanostrukturierten Oberfläche 25 (oder dem Urmaster) erwärmt werden. Durch das Erwärmen wir die Haftung des Kunststoffes auf der Bauplattform 20 (oder auch dem Urmaster 25) besser.
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Ausführungsbeispiel bieten dadurch die folgenden Vorteile:
- - Strukturen können zum Produktschutz bzw. zur Kennzeichnung verwendet werden können, die nicht einfach zu kopieren bzw. replizieren sind.
- - Zum anderen sind die Strukturen im nanoskaligen Bereich (d.h. kleiner als 1 Mikrometer) und somit so klein, dass keine konstruktiven Maßnahmen zur Änderung der Oberfläche notwendig sind (die ggf. aufgrund von Druckerauflösung im mikroskopischen Bereich nötig wären).
- - Ebenfalls nimmt dieser Produktschutz keinen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils 10.
- - Es sind keine Anpassungen der Prozessparameter notwendig, wenn eine diffraktives optisches Element „mitgedruckt“ wird.
- - Die individuelle Gestaltung der Bauplattform (z.B. hinsichtlich Größe, Ort, Bereich, Anzahl der Produktschutzelemente, Anordnung etc.) ist durch die Integration eines ausgewählten Urmasters möglich.
- - Die Produktschutzmarkierung auf der Bauplattform kann als Referenzebene herangezogen werden, sodass eine einheitliche Referenzierung aller Produkte, die mit dem Drucker gefertigt wurden, erfolgen kann.
- - Weiterhin kann durch die Anordnung mehrerer Produktschutzelemente eine genaue Zuordnung der Bauteile erfolgen, sollten in einem Prozess unterschiedliche Bauteile, die sich ggf. sehr ähneln, gleichzeitig gedruckt werden (häufig bei Dienstleistern im Bereich der additiven Fertigung eine aktuelle Herausforderung).
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Ausführungsbeispiele sind vielfältig einsetzbar, z.B. in Teilbereichen der Medizintechnik, wie Zahnersatz oder Hörgeräten zur eine additive Fertigung von angepassten Prothesen; in der Luftfahrtindustrie oder die Automobilbranche. Aus Marketinggründen können z.B. Logos in jedes gefertigte Bauteil integriert werden.
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Ausführungsbeispiele sichern somit additiv gefertigte Bauteile vor Fälschungen, wodurch eine Rückverfolgung (z.B. Teile für Luft- und Raumfahrt) der additiv gefertigter Produkte auf die Produktionsmaschinen sichergestellt wird. Ebenso stellt Fertigungsprozess der additiv gefertigte Bauteile sicher, dass eine Verwechslungen zwischen ähnlich aussehenden Teilen vermieden werden kann. Eine eindeutige Bauteilidentifikation wird erreicht. Gemäß Ausführungsbeispielen wird eine fälschungssichere Kennzeichnung auf additiv gefertigten Bauteilen aus Kunststoff erreicht. Insbesondere Hochleistungskunststoffe für hochwertige Bauteile sind hierfür geeignet.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- additiv gefertigtes Bauteil
- 15
- Harz für Stereolithographie
- 20
- Bauplattform
- 25
- diffraktives optisches Element; Urmaster
- 30
- Behälter
- 40
- Strahlungsquelle für Stereolithographie
- 50
- Fördereinheit ein FFF-3D-Druck
- 55
- beheizte Düse
- 60
- thermoplastische Draht
