DE102021125299A1

DE102021125299A1 - Verfahren zur Ermittlung einer Kontaktierung eines Druckkopfes und eines Druckbettes in einem 3D-Drucksystem und 3D-Drucksystem

Info

Publication number: DE102021125299A1
Application number: DE102021125299.7A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Burgbacher; Manuel Prätorius
Original assignee: Zenlevel GmbH
Current assignee: SCHICK, MATHIAS, DE; TAPDO TECHNOLOGIES GMBH, DE
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2023-03-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Ermittlung einer Kontaktierung eines Druckkopfes (14) und eines Druckbettes (16) oder eines auf dem Druckbett (16) angeordneten Druckobjektes, zur Verwendung in einem 3D-Drucksystem (10), wobei das Drucksystem (10) den Druckkopf (14), das Druckbett (16), einen Schwingungsgenerator (18), einen ersten Schwingungssensor (22), eine Auswerteeinheit und eine Steuereinheit aufweist und das Verfahren (100) die nachfolgenden Verfahrensschritte umfasst:
- Erzeugen einer Schwingung durch den Schwingungsgenerator (110);
- Generieren eines ersten Schwingungssignals durch den ersten Schwingungssensor in Abhängigkeit der erzeugten Schwingung (120);
- Vergleichen des generierten ersten Schwingungssignals mit einem vorgegebenen Referenzsignal durch die Auswerteeinheit (130);
- Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes (14) und des Druckbettes (16) oder des Druckobjektes in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses durch die Auswerteeinheit (140).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Kontaktierung eines Druckkopfes und eines Druckbettes oder eines auf dem Druckbett angeordneten Druckobjektes, zur Verwendung in einem 3D-Drucksystem sowie ein entsprechendes 3D-Drucksystem.
Drucksysteme für die Erzeugung eines dreidimensionalen Druckobjektes sind im Allgemeinen bekannt und in einigen Anwendungsgebieten unverzichtbar. Beispielsweise im Zusammenhang mit Rapid Prototyping tragen 3D-Drucksystem dazu bei, Entwicklungs- und Produktionszeiten erheblich zu reduzieren.
In den letzten Jahrzehnten wurden verschiedene 3D-Druckverfahren entwickelt, wobei sich insbesondere das Schmelzschichtverfahren, das häufig auch als FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) bezeichnet wird, großer Beliebtheit erfreut.
Bei den bekannten 3D-Drucksystemen ist stets ein Druckkopf zum Bereitstellen eines Ausgangsmaterials (insbesondere ein Kunststoff) und ein Druckbett zum Aufnehmen des erzeugten Druckobjektes vorgesehen. Das Ausgangsmaterial wird dabei in der Regel über eine Druckdüse, die als Bestandteil des Druckkopfes ausgeführt ist, ausgegeben. In Abhängigkeit des zu erzeugenden 3D-Druckobjektes wird der Druckkopf oder das Druckbett entlang einer zuvor berechneten Trajektorie bewegt, sodass das Druckobjekt schichtweise erzeugt wird. Dabei ist es für die Gewährleistung einer hohen Druckqualität besonders wichtig zu wissen, in welcher Position sich der Druckkopf und das Druckbett befinden. Insbesondere ist es wichtig, den Abstand zwischen dem Druckkopf und dem Druckbett zu kennen, da eine Druckqualität voraussetzt, dass während des Druckvorgangs ein optimaler Abstand zwischen dem Druckkopf und dem Druckbett eingestellt ist. Ist der Abstand zu groß, so ist es wahrscheinlich, dass die erzeugte Schicht nicht ideal an dem Druckbett haftet. Ist hingegen der Abstand zu gering, so kann Ausgangsmaterial durch die im Druckkopf vorgesehene Druckdüse nicht optimal ausgegeben werden.
Üblicherweise beträgt der optimale Abstand zwischen dem Druckkopf und dem Druckbett einige 100 µm. Daher wird, bevor der Druckprozess beginnt, zunächst eine Referenzfahrt (auch als Homing-Fahrt bezeichnet) vorgenommen, um vorab einen Kontaktpunkt zu ermitteln, in welchem eine Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes festgestellt werden kann. Dieser Kontaktpunkt kann anschließend als Referenzpunkt verwendet werden, sodass beispielsweise der Druckkopf ausgehend von diesem Referenzpunkt 100 µm nach oben gefahren wird, bevor mit dem eigentlichen Druckprozess begonnen wird. Die beschriebene Referenzfahrt wird insbesondere zu Beginn des Druckprozesses durchgeführt, bevor die erste Schicht erzeugt wird. Aber auch im weiteren Prozess ist es häufig gewünscht, weitere Referenzpunkte zu ermitteln. Wurden beispielsweise bereits n Schichten erzeugt, kann es häufig für das Schreiben der n+l-ten Schicht wünschenswert sein zu ermitteln, in welcher Höhe der Druckkopf die n-te Schicht kontaktiert. Ausgehend von diesem Referenzpunkt kann dann anschließend erneut der optimale Abstand zwischen dem Druckkopf und dem Druckobjekt eingestellt werden. Beispielsweise kann der Druckkopf von dem ermittelten Kontaktpunkt 100 µm nach oben bewegt werden.
Aus den obigen Ausführungen wird deutlich, dass eine präzise Detektion einer Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes für die Bereitstellung eines optimalen 3D-Druckverfahrens unerlässlich ist.
Aus dem Stand der Technik sind bereits einige Verfahren zur Ermittlung einer Kontaktierung eines Druckkopfes und eines Druckbettes bekannt. Diese basieren meist auf kapazitiven, induktiven oder optischen Näherungsschaltern. Allerdings bieten die aus dem Stand der Technik beschriebenen Verfahren häufig keine allzu hohe Genauigkeit, da die Verfahren meist auf einer indirekten Abstandsmessung beruhen. Zudem zeigen die bekannten Verfahren häufig eine Abhängigkeit von dem Material des Druckbettes.
Ausgehend von den vorstehend beschriebenen Nachteilen des Standes der Technik wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung einer Kontaktierung eines Druckkopfes und eines Druckbettes oder eines auf dem Druckbett angeordneten Druckobjektes, zur Verwendung in einem 3D-Drucksystem vorgeschlagen, wobei das Drucksystem den Druckkopf, das Druckbett, einen Schwingungsgenerator, einen ersten Schwingungssensor, eine Auswerteeinheit und eine Steuereinheit aufweist und das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst:

- Erzeugen einer Schwingung durch den Schwingungsgenerator;
- Generieren eines ersten Schwingungssignals durch den ersten Schwingungssensor in Abhängigkeit von der erzeugten Schwingung;
- Vergleichen des generierten Schwingungssignals mit einem vorgegebenen Referenzsignal durch die Auswerteeinheit;
- Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes oder des Druckobjektes in Abhängigkeit von den Vergleichsergebnissen durch die Auswerteeinheit.

Die vorliegende Erfindung erlaubt eine direkte Messung der Kontaktposition mit einer besonders hohen Genauigkeit. Zudem bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass es leicht in bereits bestehende Aufbauten integriert werden kann. Das Verfahren erlaubt nicht nur die Ermittlung einer Kontaktierung von Druckkopf und Druckbett, sondern auch der Kontaktierung von Druckkopf und Druckobjekt. Da das Messprinzip auf der Übertragung der Schwingungen, insbesondere auf der Übertragung mechanischer Schwingungen zwischen dem Druckkopf und dem Druckbett (entweder unmittelbar oder mittelbar über das Druckobjekt) basiert, kann die Kontaktierung besonders präzise und unabhängig von den Materialeigenschaften des Druckbettes erfolgen. Der Kontaktpunkt zwischen Druckkopf und Druckbett bzw. Druckobjekt kann einfach und zuverlässig detektiert werden, sodass anschließend der gewünschte Abstand zwischen dem Druckkopf und dem Druckbett bzw. dem Druckobjekt mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind der Schwingungsgenerator und der erste Schwingungssensor an dem Druckkopf und/oder an dem Druckbett angeordnet. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Schwingungsgenerator und der erste Schwingungssensor beide am Druckkopf angeordnet sind. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der Schwingungsgenerator am Druckkopf und der erste Schwingungssensor am Druckbett angeordnet ist. Ferner kann es gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der Schwingungsgenerator am Druckbett angeordnet ist und der erste Schwingungssensor am Druckbett oder am Druckkopf angeordnet ist. Liegt eine Kontaktierung von Druckkopf und Druckbett bzw. Druckobjekt vor, so wird die erzeugte Schwingung aufgrund der Kontaktierung verändert. Insbesondere kann gemäß einigen Ausführungsformen die generierte Schwingung deutlich stärker an den ersten Schwingungssensor übertragen als im Falle einer fehlenden Kontaktierung. Auch kann es gemäß einiger Ausführungsformen vorgesehen sein, dass das Spektrum des Schwingungssignals durch die Kontaktierung verändert wird. Durch den Vergleich des ersten Schwingungssignals mit einem Referenzsignal kann zuverlässig ermittelt werden, ob aktuell eine Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes (bzw. des Druckobjektes) vorliegt. Das Referenzsignal kann beispielsweise zu einem Zeitpunkt aufgenommen worden sein, zu dem keine Kontaktierung vorlag. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass das Referenzsignal zu einem Zeitpunktvorgenommen wurde, zu dem eine Kontaktierung vorlag. Eine Abweichung des Schwingungssignals lässt in diesem Fall darauf schließen, dass aktuell kein Kontakt zwischen dem Druckkopf und dem Druckbett bzw. dem Druckobjekt vorliegt.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses Folgendes umfasst:

- Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes oder des Druckobjektes, sofern die Intensität des ersten Schwingungssignals größer ist als die Intensität des Referenzsignals; und
- Feststellen, dass keine Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes bzw. des Druckobjektes vorliegt, sofern die Intensität des ersten Schwingungssignals nicht größer als das Referenzsignal ist.

Auf diese Weise kann die Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes (oder des Druckobjektes) zuverlässig ermittelt werden. Das Referenzsignal kann zuvor während eines Kalibrierungsprozesses bestimmt werden. In dem Kalibrierungsprozess kann beispielsweise bestimmt werden, welche Intensität oder welcher zeitliche oder spektrale Verlauf für das erste Schwingungssignal typischerweise zu erwarten ist. Abhängig von dem erwarteten Wert kann ein entsprechender Referenzwert festgelegt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Schwingungsgenerator am Druckkopf und der erste Schwingungssensor ebenfalls am Druckkopf angeordnet ist und dass das Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes mit dem Druckbett oder mit dem Druckobjekt die nachfolgenden Schritte aufweist:

- Bestimmen eines Spektrums des Referenzsignals unter Verwendung einer schnellen Fourier Transformation (auch als Fast Fourier Transformation oder FFT bezeichnet), wobei das Referenzsignal zu einem Zeitpunkt aufgenommen wurde, zu dem keine Kontaktierung des Druckkopfes mit dem Druckbett und mit dem Druckobjekt vorliegt;
- Bestimmen eines Spektrums des ersten Schwingungssignals unter Verwendung einer FFT;
- Vergleiche das Spektrum des Referenzsignals und das Spektrum des ersten Schwingungssignals in einem vorgegebenen Frequenzbereich;
- Feststellen einer Kontaktierung des Druckkopfes mit dem Druckbett oder mit dem Druckobjekt, wenn die Differenz zwischen den verglichenen Spektren in dem vorgegebenen Frequenzbereich größer ist als ein vorgegebener Grenzwert.

Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das erste Schwingungssignal zunächst einer Spektralanalyse unterzogen wird. Das Spektrum des ersten Schwingungssignals kann dann mit dem zuvor ermittelten Spektrum der erzeugten Schwingung verglichen werden. Falls die miteinander verglichenen Spektren identisch oder hochgradig ähnlich sind, kann beispielsweise angenommen werden, dass das erste Schwingungssignal durch den Schallgenerator verursacht wurde. In diesem Fall wird das erste Schwingungssignal verwendet, um die Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes zu detektieren. Andernfalls wird das erste Schwingungssignal verworfen und nicht für die Detektion einer Kontaktierung verwendet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das erste Schwingungssignal tatsächlich auf der durch den Schwingungsgenerator erzeugten Schwingung basiert und nicht etwa auf äußeren Störgeräuschen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes bzw. des Druckobjektes in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses Folgendes umfasst:

- Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes oder des Druckobjektes, sofern erkannt wird, dass das erste Schwingungssignal eine Frequenzverschiebung gegenüber dem Referenzsignal aufweist.

Dabei kann das Referenzsignal beispielsweise zu einem Zeitpunkt aufgenommen werden, zu dem kein Kontakt zwischen dem Druckkopf und dem Druckbett bzw. dem Druckobjekt vorhanden ist. Wird zu einem späteren Zeitpunkt erkannt, dass das erste Schwingungssignal gegenüber dem Referenzsignal frequenzverschoben ist, kann daraus geschlossen werden, dass eine mechanische Kontaktierung zwischen dem Druckkopf und dem Druckbett oder dem Druckobjekt stattgefunden hat.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes bzw. des Druckobjektes in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses Folgendes umfasst:

- Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes oder des Druckobjektes, sofern erkannt wird, dass das erste Schwingungssignal gegenüber dem Referenzsignal ein verändertes Spektrum aufweist.

Dabei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass das Referenzsignal zu einem Zeitpunkt aufgenommen wird, zu dem kein Kontakt zwischen dem Druckkopf und dem Druckbett bzw. dem Druckobjekt vorhanden ist. Wird zu einem späteren Zeitpunkt erkannt, dass das erste Schwingungssignal gegenüber dem Referenzsignal ein verändertes Spektrum aufweist, kann daraus geschlossen werden, dass eine mechanische Kontaktierung zwischen dem Druckkopf und dem Druckbett oder dem Druckobjekt stattgefunden hat. Dadurch kann eine Kontaktierung zwischen Druckkopf und Druckbett bzw. Druckobjekt zuverlässig detektiert werden.
Insbesondere kann bei den Ausführungsformen der Erfindung, bei denen eine Spektralanalyse vorgenommen wird, vorgesehen sein, dass zumindest der erste Schwingungssensor als Mikrofon ausgebildet ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, da es durch den Einsatz eines Mikrofons ermöglicht wird, das erste Schwingungssignal mit einer besonders hohen Auflösung zu erfassen. Dadurch kann der spektrale Verlauf des ersten Schwingungssignals mit höherer Präzision ermittelt werden, wodurch die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Schwingungsgenerator dazu konfiguriert ist, eine Schwingung mit einer Schwingfrequenz in einem vorgegebenen Frequenzbereich zu erzeugen. Dies ermöglicht, eine Schwingung zu erzeugen, die eindeutig von anderen Schwingungen, die in der Umgebung vorhanden sein können und die ebenfalls von dem ersten Schwingungssensor empfangen werden, zu unterscheiden ist. Dadurch können Messfehler reduziert und die Robustheit des erfindungsgemäßen Verfahrens erhöht werden.
In einem Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass der Schwingungsgenerator dazu ausgelegt ist, eine Schwingung in einem Frequenzbereich von 20 bis 2000 Hz, insbesondere von 20 bis 200 Hz, zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform kann zudem vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, ein Schwingungssignal in einem vorgegebenen Frequenzbereich, beispielsweise in einem Frequenzbereich von 20 bis 2000 Hz, auszuwerten. Dadurch kann ausgeschlossen werden, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Schwingungen berücksichtigt werden, die nicht durch den Schwingungsgenerator erzeugt wurden. Durch diese Maßnahme kann die Fehleranfälligkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens reduziert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Drucksystem einen zweiten Schwingungssensor aufweist, wobei der erste Schwingungssensor an dem Druckbett angeordnet ist und der zweite Schwingungssensor sowie der Schwingungsgenerator an dem Druckkopf angeordnet sind, und wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:

- Generieren eines ersten Schwingungssignals durch den ersten Schwingungssensor;
- Generieren eines zweiten Schwingungssignals durch den zweiten Schwingungssensor;
- Vergleichen des ersten Schwingungssignals und des zweiten Schwingungssignals;
- Berücksichtigung des ersten Schwingungssignals für die Ermittlung einer Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes oder des Druckobjektes, falls das erste Schwingungssignal identisch mit dem zweiten Signal ist oder zumindest eine hohe Ähnlichkeit mit dem zweiten Schwingungssignal aufweist; und
- Vernachlässigen des ersten Schwingungssignals für die Ermittlung einer Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes oder des Druckobjektes, falls das erste Schwingungssignal nicht identisch mit dem zweiten Schwingungssignal ist und auch keine hohe Ähnlichkeit mit dem zweiten Schwingungssignal aufweist.

Durch diese Maßnahme kann die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erhöht werden. Sind das erste Schwingungssignal und das zweite Schwingungssignal nicht identisch und auch nicht ähnlich, so kann daraus geschlossen werden, dass das erste Schwingungssignal nicht auf der Schwingung basiert, die durch den Schwingungsgenerator erzeugt wurde. Dadurch kann also die Fehleranfälligkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens reduziert werden und die Zuverlässigkeit des Verfahrens kann signifikant erhöht werden. Bei der Ermittlung der Ähnlichkeit der beiden Schwingungssignale können verschiedene Maße verwendet werden. Beispielsweise kann hierzu die Kreuzkorrelation der Signale oder der euklidische Abstand zwischen den Signalen bestimmt werden. Die Ähnlichkeit der beiden Schwingungssignale kann dabei in der Zeitdomäne oder in der Frequenzdomäne erfolgen.
Des Weiteren wird zur Lösung der eingehend beschriebenen Aufgabe ein Drucksystem für die Erzeugung eines dreidimensionalen Druckobjektes vorgeschlagen; mit

- einem Druckkopf umfassend eine Druckdüse;
- einem Druckbett zur Aufnahme eines Druckobjektes; wobei der Druckkopf und das Druckbett relativ zueinander entlang einer ersten Bewegungsachse bewegbar sind;
- einem Schwingungsgenerator zur Erzeugung einer Schwingung;
- einem ersten Schwingungssensor zum Erzeugen eines ersten Schwingungssignals in Abhängigkeit von der zuvor erzeugten Schwingung;
- einer Auswerteeinheit zum Auswerten des ersten Schwingungssignals; und
- einer Steuereinheit zum Ansteuern des Druckkopfes und/oder des Druckbettes.

Ferner kann vorgesehen sein, dass der Druckkopf und/oder das Druckbett entlang einer Ebene, die orthogonal zu der ersten Bewegungsachse verläuft, bewegbar ist. Der Schwingungsgenerator kann beispielsweise als Vibrationsmotor ausgeführt und zur Erzeugung einer Schwingung ausgelegt sein. Der Vibrationsmotor kann einen Elektromotor sowie eine Unwucht aufweisen. Alternativ hierzu kann auch eine Lüftereinheit, ein Netzteil oder ein Motor als Schwingungsgenerator verwendet werden. Der erste Schwingungssensor kann beispielsweise als MEMS-Sensor ausgeführt sein. Die Auswerteeinheit kann einen Prozessor, insbesondere einen DSP (digital signal processor) aufweisen. Ferner kann die Steuereinheit zur Positionierung des Druckkopfes, des Druckbettes und/oder der Druckdüse eingerichtet sein.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksystems kann vorgesehen sein, dass der Schwingungsgenerator dazu ausgelegt ist, eine Schwingung mit einer Frequenz in einem vorgegebenen Frequenzbereich, insbesondere in einem Frequenzbereich von 20 bis 2000 Hz, bevorzugt von 20 bis 200 Hz, zu erzeugen. Beispielsweise kann der Schwingungsgenerator als Schallwellengenerator ausgebildet und dazu konfiguriert sein, Schallwellen in einem vorgegebenen Frequenzbereich zu erzeugen. Zudem kann der Schallwellengenerator dazu ausgebildet sein, Schallwellen mit einer vorgegebenen Spektralverteilung zu erzeugen. Dadurch kann die Erkennung des korrekten Schallsignals durch den ersten Schwingungssensor vereinfacht werden, da der erste Schwingungssensor bzw. die Auswerteeinheit das erste Schwingungssignal zunächst mit einem zu erwartenden Signal vergleichen kann und das erste Schwingungssignal nur dann zur Ermittlung einer Kontaktierung verwendet wird, wenn das erste Schwingungssignal in dem vorgegebenen Frequenzbereich liegt oder wenn die Spektralverteilung der erwarteten Spektralverteilung entspricht. Auf diese Weise kann die durch den Schwingungsgenerator erzeugte Schwingung mit einem individuellen Fingerabdruck versehen werden, der eindeutig von dem ersten Schwingungssensor erkannt werden kann. Dadurch kann die Fehleranfälligkeit des Drucksystems signifikant reduziert werden.
Ferner kann gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksystems vorgesehen sein, dass der Schwingungsgenerator am Druckkopf und der erste Schwingungssensor am Druckbett angeordnet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Schwingungsgenerator am Druckbett und der erste Schwingungssensor am Druckkopf angeordnet ist.
Auch kann vorgesehen sein, dass das Drucksystem einen zweiten Schwingungssensor aufweist, wobei bevorzugt der erste Schwingungssensor am Druckbett angeordnet ist und der zweite Schwingungssensor sowie der Schwingungsgenerator am Druckkopf angeordnet sind. Der zweite Schwingungssensor ist zum Erzeugen eines zweiten Schwingungssignals ausgelegt. Der zweite Schwingungssensor kann ebenfalls als MEMS-Sensor ausgeführt sein. Durch die Anordnung des zweiten Schwingungssensors am Druckkopf und damit in unmittelbarer Nähe des Schwingungsgenerators kann der zweite Schwingungssensor in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, ein Vergleichssignal zu erzeugen. Dadurch kann das von dem ersten Schwingungssensor detektierte erste Schwingungssignal mit dem zweiten Schwingungssignal verglichen werden, bevor es für die Ermittlung der Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes verwendet wird. Sind die beiden Schwingungssignale identisch oder zumindest hochgradig ähnlich, so kann das erste Schwingungssignal für die Ermittlung der Kontaktierung verwendet werden. Weist hingegen das erste Schwingungssignal signifikante Unterschiede zum zweiten Schwingungssignal auf, so kann daraus geschlossen werden, dass das erste Schwingungssignal nicht auf der zuvor durch den Schwingungsgenerator erzeugten Schwingung basiert, sondern auf einem Störgeräusch. Das erste Schwingungssignal kann in diesem Fall verworfen werden und es kann auf ein zuverlässiges Signal gewartet werden. Auf diese Weise kann die Anfälligkeit des Drucksystems für Störgeräusche reduziert und die Robustheit des Systems erhöht werden.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der erste und der zweite Schwingungssensor an dem Druckbett angeordnet sind, während der Schwingungsgenerator am Druckkopf angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein erstes und ein zweites Schwingungssignal erzeugt. Dabei kann das zweite Schwingungssignal als ein Vergleichssignal verwendet werden. Im Falle einer deutlichen Diskrepanz zwischen dem ersten und dem zweiten Schwingungssignal kann darauf geschlossen werden, dass das erste Schwingungssignal verfälscht sein kann. Folglich kann das erste Schwingungssignal verworfen werden. Durch diese Maßnahme kann die Robustheit des Drucksystems weiter erhöht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mindestens zwei Schwingungssensoren am Druckbett angeordnet sind, während ein zusätzlicher dritter Schwingungssensor sowie der Schwingungsgenerator am Druckkopf angeordnet sind. Dadurch können zwei unterschiedliche Vergleichswerte bereitgestellt werden, mit denen das erste Schwingungssignal verglichen wird, wodurch die Fehleranfälligkeit der erfindungsgemäßen Drucksystems weiter reduziert werden kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Drucksystem ein Gestell aufweist, an dem der Druckkopf und das Druckbett angeordnet sind, wobei das Drucksystem bevorzugt einen dritten Schwingungssensor aufweist. Dabei kann bevorzugt der erste Schwingungssensor am Druckbett, der zweite Schwingungssensor am Druckkopf und der dritte Schwingungssensor am Gestell angeordnet sein. Auf diese Weise werden zwei unterschiedliche Vergleichssignale bereitgestellt, die dazu beitragen, die Robustheit des Drucksystems zu erhöhen. Dabei kann das erste Vergleichssignal durch den zweiten Schwingungssensor bereitgestellt werden. Das erste Vergleichssignal erlaubt es zu erkennen, ob das erste Schwingungssignal mit einer hohen Wahrscheinlichkeit auf den Schwingungen basiert, die durch den Schwingungsgenerator erzeugt wurden. Das zweite Vergleichssignal kann durch den dritten Schwingungssensor bereitgestellt werden. Das zweite Vergleichssignal erlaubt es zu erkennen, ob das erste Schwingungssignal mit einer hohen Wahrscheinlichkeit auf einem Störgeräusch basiert, dass durch eine externe Störquelle erzeugt wurde. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass das Drucksystem ein Gehäuse aufweist und dass der dritte Schwingungssensor an einer Gehäusewand, insbesondere an der Außenseite einer Gehäusewand angeordnet ist. Der dritte Schwingungssensor erlaubt es in diesem Fall zu erkennen, ob das erste Schwingungssignal auf äußeren Störgeräuschen basiert. Dabei kann das erste Schwingungssignal mit dem zweiten Schwingungssignal und dem dritten Schwingungssignal in der Zeitdomäne oder in der Frequenzdomäne verglichen werden.
Die vorstehend beschriebenen Schwingungssensoren können als MEMS-Beschleunigungssensoren, als piezokeramische Sensoren, als Dehnungsmessstreifen, als magnetische Induktionssensoren, als Mikrofone (wahlweise kapazitiv oder als MEMS) oder als Schallemissionssensoren (auch als acoustic emission sensors bezeichnet) ausgeführt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen

1 ein Flussdiagram eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen 3D-Drucksystems,
3 einen Druckkopf gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 3D-Drucksystems, und
4 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemä-ßen 3D-Drucksystems.

In der 1 ist ein Flussdiagramm für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 dargestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 wird eine Schwingung durch einen Schwingungsgenerator erzeugt (110). Der Schwingungsgenerator kann insbesondere an einem Druckkopf angeordnet sein. In Abhängigkeit der erzeugten Schwingung wird dann ein erstes Schwingungssignal durch den ersten Schwingungssensor generiert (120). Der erste Schwingungssensor kann insbesondere an einem Druckbett angeordnet sein. Anschließend wird das erste Schwingungssignal mit einem vorgegebenen Referenzsignal durch eine Auswerteeinheit verglichen (130). In Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses kann anschließend eine Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes (oder eines auf dem Druckbett angeordneten Druckobjektes) durch die Auswerteeinheit detektiert werden (140). Dabei kann die Ermittlung der Kontaktierung beispielsweise dann erfolgen, wenn die Intensität des ersten Schwingungssignals größer ist als die Intensität des Referenzsignals.
Alternativ kann die Ermittlung der Kontaktierung in Abhängigkeit von der zeitlichen oder spektralen Ähnlichkeit des ersten Schwingungssignals mit dem Referenzsignal erfolgen. Sind das detektierte erste Schwingungssignal und das Referenzsignal identisch oder hochgradig ähnlich, so kann daraus auf eine Kontaktierung des Druckkopfes und des Druckbettes geschlossen werden. Weisen das erste Schwingungssignal und das Referenzsignal hingegen signifikante Unterschiede auf, etwa weil die beiden Signale deutlich unterschiedliche Spektralverteilungen aufweisen oder weil das erste Schwingungssignal im Vergleich zum Referenzsignal sehr schwach ist, so kann daraus geschlossen werden, dass kein physischer Kontakt zwischen dem Druckkopf und dem Druckbett bzw. dem Druckobjekt vorliegt.
In der 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen 3D-Drucksystems 10 dargestellt. Das gezeigte Drucksystem 10 weist ein Gestell 12 auf, an dem ein Druckkopf 14 und ein Druckbett 16 angeordnet sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Druckkopf 14 entlang einer vertikalen Achse und zusätzlich entlang einer ersten horizontalen Achse bewegt werden. Das Druckbett 16 kann entlang einer zweiten horizontalten Achse, die orthogonal zu der ersten horizontalen Achse verläuft, bewegt werden. Somit können der Druckkopf 14 und das Druckbett 16 relativ zueinander in drei Richtungen positioniert werden, sodass ein dreidimensionales Druckobjekt auf dem Druckbett 16 erzeugt werden kann.
An dem Druckkopf 14 ist ein Schwingungsgenerator 18 vorgesehen, der dazu ausgelegt ist, eine mechanische Schwingung zu erzeugen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schwingungsgenerator 18 als Lüftungseinheit 20 ausgebildet. Alternativ hierzu kann der Schwingungsgenerator 18 beispielsweise auch als Vibrationsmotor ausgeführt sein.
Zudem weist das in der 2 abgebildete Drucksystem 10 einen ersten Schwingungssensor 22 auf, der an dem Druckbett 16 angeordnet ist. Der erste Schwingungssensor kann dadurch in Abhängigkeit von der am Druckkopf 14 durch den Schwingungsgenerator 18 erzeugten Schwingung ein erstes Schwingungssignal erzeugen. Sofern eine Kontaktierung des Druckkopfes 14 und das Druckbettes 16 vorliegt, erfolgt eine Übertragung der Schwingung von dem Druckkopf 14 auf das Druckbett 16, sodass die am Druckkopf 14 erzeugte Schwingung von dem ersten Schwingungssensor 22 detektiert werden kann. Liegt keine Kontaktierung zwischen Druckkopf 14 und Druckbett 16 vor, so wird die durch den Schwingungsgenerator 18 erzeugte Schwingung nicht oder nur sehr schwach an das Druckbett 16 übertragen, sodass der erste Schwingungssensor 22 entweder überhaupt kein erstes Schwingungssignal oder nur eine sehr schwaches erstes Schwingungssignal erzeugen kann. Durch den Vergleich des ersten Schwingungssignals mit einem Referenzwert kann dann zuverlässig detektiert werden, ob eine Kontaktierung des Druckkopfes 14 und des Druckbettes 16 vorliegt oder nicht. Diese Information kann verwendet werden, um die Null-Position des Druckkopfes 14 zu ermitteln und um anschließend den optimalen Abstand zwischen Druckkopf 14 und Druckbett 16 einzustellen.
Ferner weist das in der 2 abgebildete Drucksystem 10 einen zweiten Schwingungssensor 24 auf, der an dem Druckkopf 14 angeordnet ist. Durch die unmittelbare Nähe zwischen dem zweiten Schwingungssensor 24 und dem Schwingungsgenerator 18 kann ein zusätzliches Vergleichssignal bereitgestellt werden, das es erlaubt, das erste Schwingungssignal mit dem ursprünglich erzeugten Signal zu vergleichen. Wenn beispielsweise festgestellt wird, dass zwar ein erstes Schwingungssignal durch den ersten Schwingungssensor erzeugt wird, dieses erste Schwingungssignal eine hohe Diskrepanz zu dem durch den zweiten Schwingungssensor generierten zweiten Schwingungssignal aufweist (beispielsweise weil die Signale in unterschiedlichen Frequenzbereichen liegen oder weil die Spektralverläufe der beiden Signale signifikant unterschiedlich sind), so kann daraus geschlossen werden, dass das erste Schwingungssignal mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht auf der durch den Schwingungsgenerator 18 erzeugte Schwingung basiert, sondern vielmehr auf einem äußeren Störsignal. Durch den Einsatz des zweiten Schwingungssensors 24 kann die Fehleranfälligkeit des Drucksystems 10 erheblich reduziert werden.
Zudem weist das Drucksystem 10 gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel auch noch einen dritten Schwingungssensor 26 auf, der an dem Gestell 12 des Drucksystems 10 angeordnet ist. Der dritte Schwingungssensor 26 kann insbesondere dazu vorgesehen sein, ein äußeres Störgeräusch aufzunehmen. Dadurch bietet der dritte Schwingungssensor 26 ein zusätzliches Vergleichssignal, das dazu genutzt werden kann zu prüfen, ob das erste Schwingungssignal auf der Schwingung basiert, die durch den Schwingungsgenerator 18 erzeugt wurde, oder aber auf einem externen Störsignal. So kann das erste Schwingungssignal mit dem dritten Schwingungssignal verglichen werden und es kann darauf geschlossen werden, dass das erste Schwingungssignal auf einem Störsignal basiert, wenn das erste Schwingungssignal und das dritte Schwingungssignal identisch sind oder zumindest eine hohe Ähnlichkeit aufweisen. So kann beispielsweise vermieden werden, dass die Auswerteeinheit fälschlicherweise eine Kontaktierung des Druckkopfes 14 und des Druckbettes 16 ermittelt, obwohl das erste Schwingungssignal durch ein äußeres Störgeräusch verursacht wurde, das beispielsweise durch einen vorbeifahrenden Zug erzeugt wurde. Somit kann die Zuverlässigkeit des erfindungsgemäßen Drucksystems 10 durch den Einsatz des dritten Schwingungssensors 26 signifikant erhöht werden.
In der 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Druckkopfes 14 gemäß der vorliegenden Erfindung abgebildet. Wie in dieser Figur gezeigt ist, weist der Druckkopf 14 einen Schwingungsgenerator 18 und eine Druckdüse 14a auf. Der Schwingungsgenerator ist in dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Vibrationsmotor ausgebildet. Der Vibrationsmotor kann dazu konfiguriert sein, eine Schwingung in einem vorgegebenen Frequenzbereich zu erzeugten. Zudem kann der Vibrationsmotor dazu ausgelegt sein, eine Schwingung mit einem spezifischen Spektralverlauf zu erzeugen. Auf diese Weise kann die Detektion des Schwingungssignals durch den ersten Schwingungssensor 22 bzw. die Auswerteeinheit erleichtert werden, da die erzeugte Schwingung mit einem individuellen „Fingerabdruck“ versehen werden kann.
Die Druckdüse 14a dient dazu, ein Ausgangsmaterial bzw. ein Druckmaterial auszugeben. Insbesondere kann die Druckdüse dazu ausgelegt sein, einen flüssigen Kunststoff auszugeben. Die Abmessungen der Druckdüse 14a bestimmen insbesondere die Auflösung, mit welcher das 3D-Drucksystem ein Druckobjekt erzeugen kann.
Schließlich ist in der 4 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des Drucksystems 10 abgebildet. Wie in dieser Figur gezeigt ist, kann der Druckkopf 14 über dem Druckbett 16 in einem vorgegebenen Abstand relativ zum Druckbett 16 bewegt werden, um die einzelnen Schichten des gewünschten Druckobjektes zu erzeugen. Dabei wird der Druckkopf 14 so positioniert, dass sich ein optimaler Abstand zwischen dem Druckkopf 14 bzw. der Druckdüse 14a und dem Druckbett 16 einstellt. Hierzu kann beispielsweise zuerst eine Referenzfahrt durchgeführt werden, wodurch eine Null-Position, in der eine Kontaktierung der Druckdüse 14 und dem Druckbett 16 erfolgt, ermittelt wird. Anschließend kann beispielsweise der Druckkopf 14 um 100 µm nach oben bewegt werden, um einen für den Druckprozess optimalen Abstand zwischen dem Druckkopf 14 und dem Druckbett 16 zu gewährleisten.
Bezugszeichenliste

10: 3D-Drucksystem
12: Gestell
14: Druckkopf
14a: Druckdüse
16: Druckbett
18: Schwingungsgenerator
20: Lüftungseinheit
22: erster Schwingungssensor
24: zweiter Schwingungssensor
26: dritter Schwingungssensor
100: Flussdiagramm für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens
110: erster Verfahrensschritt
120: zweiter Verfahrensschritt
130: dritter Verfahrensschritt
140: vierter Verfahrensschritt

Claims

Verfahren (100) zur Ermittlung einer Kontaktierung eines Druckkopfes (14) und eines Druckbettes (16) oder eines auf dem Druckbett (16) angeordneten Druckobjektes, zur Verwendung in einem 3D-Drucksystem (10), wobei das Drucksystem (10) den Druckkopf (14), das Druckbett (16), einen Schwingungsgenerator (18), einen ersten Schwingungssensor (22), eine Auswerteeinheit und eine Steuereinheit aufweist und das Verfahren (100) die nachfolgenden Schritte umfasst: - Erzeugen einer Schwingung durch den Schwingungsgenerator (110); - Generieren eines ersten Schwingungssignals durch den ersten Schwingungssensor (22) in Abhängigkeit von der erzeugten Schwingung (120); - Vergleichen des ersten Schwingungssignals mit einem vorgegebenen Referenzsignal durch die Auswerteeinheit (130); - Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes (14) und des Druckbettes (16) oder des Druckobjektes in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses durch die Auswerteeinheit (140).
Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes (14) und des Druckbettes (16) oder des Druckobjektes in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses Folgendes umfasst: - Ermitteln einer Kontaktierung des Druckkopfes (14) und des Druckbettes (16) oder des Druckobjektes, sofern die Intensität des ersten Schwingungssignals größer ist als die Intensität des Referenzsignals; und - Feststellen, dass keine Kontaktierung des Druckkopfes (14) und des Druckbettes (16) und des Druckobjektes vorliegt, sofern die Intensität des ersten Schwingungssignals nicht größer als das Referenzsignal ist.
Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgenerator (18) dazu konfiguriert ist, ein Schwingungssignal mit einer Frequenz in einem vorgegebenen Frequenzbereich zu erzeugen.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgenerator (18) dazu ausgelegt ist, eine Schwingung in einem Frequenzbereich von 20 bis 2000 Hz, insbesondere von 100 bis 2000 Hz, zu erzeugen.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, ein Schwingungssignal in einem vorgegebenen Frequenzbereich auszuwerten.
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksystem (10) einen zweiten Schwingungssensor (24) aufweist, wobei der erste Schwingungssensor (22) an dem Druckbett (16) angeordnet ist und der zweite Schwingungssensor (24) und der Schwingungsgenerator (18) an dem Druckkopf (14) angeordnet sind, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist: - Generieren eines ersten Schwingungssignals durch den ersten Schwingungssensor (22); - Generieren eines zweiten Schwingungssignals durch den zweiten Schwingungssensor (24); - Vergleichen des ersten Schwingungssignals und des zweiten Schwingungssignals; - Berücksichtigung des ersten Schwingungssignals für die Ermittlung einer Kontaktierung des Druckkopfes (14) und des Druckbettes (16) oder des Druckobjektes, falls das erste Schwingungssignal identisch mit dem zweiten Signal ist oder zumindest eine hohe Ähnlichkeit mit dem zweiten Schwingungssignal aufweist; und - Vernachlässigen des ersten Schwingungssignals für die Ermittlung einer Kontaktierung des Druckkopfes (14) und des Druckbettes (16) oder des Druckobjektes, falls das erste Schwingungssignal nicht identisch mit dem zweiten Schwingungssignal ist und auch keine hohe Ähnlichkeit mit dem zweiten Schwingungssignal aufweist.
Drucksystem (10) für die Erzeugung eines dreidimensionalen Druckobjektes; mit - einem Druckkopf (14) umfassend eine Druckdüse (14a); - einem Druckbett (16) zur Aufnahme eines Druckobjektes; wobei der Druckkopf (14) und das Druckbett (16) relativ zueinander entlang einer ersten Bewegungsachse bewegbar sind; - einem Schwingungsgenerator (18) zur Generierung einer Schwingung; - einem ersten Schwingungssensor (22) zur Generierung eines ersten Schwingungssignals in Abhängigkeit von der zuvor erzeugten Schwingung; - einer Auswerteeinheit zum Auswerten des ersten Schwingungssignals; und - einer Steuereinheit zum Ansteuern des Druckkopfes (14) und/oder des Druckbettes (16).
Drucksystem (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgenerator (18) dazu ausgelegt ist, eine Schwingung in einem vorgegebenen Frequenzbereich, insbesondere in einem Frequenzbereich von 20 bis 2000 Hz, insbesondere von 20 bis 200 Hz, zu erzeugen.
Drucksystem (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgenerator (18) am Druckkopf (14) und der erste Schwingungssensor (22) ebenfalls am Druckkopf (14) angeordnet ist.
Drucksystem (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, eine Spektralanalyse für das erste Schwingungssignal durchzuführen und eine Veränderung des Spektrums des ersten Schwingungssignals zu detektieren.
Drucksystem (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgenerator (18) am Druckkopf (14) und der erste Schwingungssensor (22) am Druckbett (16) angeordnet ist.
Drucksystem (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksystem (10) einen zweiten Schwingungssensor (24) aufweist, wobei insbesondere der erste Schwingungssensor (22) am Druckbett (16) angeordnet ist und der zweite Schwingungssensor (24) sowie der Schwingungsgenerator (18) am Druckkopf (14) angeordnet sind.
Drucksystem (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksystem (10) ein Gestell (12) aufweist, an dem der Druckkopf (14) und das Druckbett (16) angeordnet sind, und insbesondere einen zusätzlichen dritten Schwingungssensor (26) aufweist, wobei bevorzugt der erste Schwingungssensor (22) am Druckbett (16) angeordnet ist, der zweite Schwingungssensor (24) am Druckkopf (14) angeordnet ist, und der dritte Schwingungssensor (26) am Gestell (12) angeordnet ist.