DE102021128639A1

DE102021128639A1 - Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils

Info

Publication number: DE102021128639A1
Application number: DE102021128639.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Neff; Uwe Hellstern
Original assignee: Arburg GmbH and Co KG
Current assignee: Arburg GmbH and Co KG
Priority date: 2021-11-03
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2023-05-04
Also published as: WO2023078750A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils aufweisend wenigstens zwei Baumaterialen mit je einer kritischen Verweilzeit T_x_max werden Daten zur Herstellung des Bauteils bereitgestellt und das Bauteil in wenigstens einen Bauabschnitt mit entsprechenden Bauabschnittinformationen zerlegt. Nach einem Ableiten wenigstens eines Baumaterialvolumens und wenigstens einer mittleren Austragsrate pro Bauabschnitt aus den Bauabschnittinformationen wird wenigstens eine Bauzeit pro Bauabschnitt und wenigstens eine resultierende Verweilzeit t_x_je Baumaterial aus dem Baumaterialvolumen und der Austragsrate berechnet. Die resultierenden Verweilzeiten t_x werden mit den jeweiligen kritischen Verweilzeiten T_x_max der entsprechenden Baumaterialien abgeglichen. Dadurch, dass wenigstens eine Anpassung der Daten, sodass die jeweiligen resultierenden Verweilzeiten t_x unter den jeweiligen kritischen Verweilzeiten T_x_max der entsprechenden Baumaterialien liegen vorgenommen wird, wenn wenigstens eine resultierende Verweilzeit t_x die jeweilige kritische Verweilzeit T_x_max des entsprechenden Baumaterials überschreitet ergibt sich eine Optimierung in Hinsicht auf den Verbrauch des benötigten Baumaterials und der Qualität des Bauteils.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Maschinensteuerung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14, eine Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15 sowie ein Computerprogrammprodukt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Für die Erläuterung der Erfindung werden zunächst einige Begriffe wie folgt definiert:

Unter einer „resultierenden Verweilzeit“ wird im Rahmen dieser Anmeldung die Zeitdauer verstanden, in der ein Baumaterial, z.B. ein Kunststoff, ein thermoplastischer Werkstoff oder ein Stützmaterial in einer Maschine aufgeschmolzen unter thermischer Belastung steht. Beispielsweise wird in einer Maschine, z.B. einer Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, einer Produktionsmaschine oder einer 3D-Druck-Maschine eine gewisse Menge an Baumaterial aufgeschmolzen und verweilt solange in einer beheizten Düse bei einer Temperatur, bis das Baumaterial ausgetragen wird.

Unter einer „kritischen Verweilzeit“ wird im Rahmen dieser Anmeldung die Zeitdauer verstanden, in der gerade noch keine Degradation bzw. thermische Vorbelastung des Baumaterials infolge der Verweilzeit auftritt. Wird diese kritische Verweilzeit überschritten, tritt eine Degradation bzw. thermische Vorbelastung des Baumaterials auf. Abhängig von der Temperatur und der Verweilzeit kann eine Degradation bzw. thermische Vorbelastung des Baumaterials und somit eine physikalische sowie chemische Strukturänderung des Baumaterials, z.B. eines Kunststoffs, eines thermoplastischen Werkstoffes oder eines Stützmaterials hervorgerufen werden, wodurch z.B. Änderungen der Fließeigenschaften und/oder negative Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Bauteile bewirkt werden können. Die Degradation bzw. thermische Vorbelastung beginnt bei umso niedrigeren Temperaturen, je länger das Baumaterial dieser Temperatur ausgesetzt ist, also bei langen Verweilzeiten. Da die Degradations- bzw. Abbaugeschwindigkeit exponentiell mit der Temperatur ansteigt, wird bei höheren Temperaturen die kritische Verweilzeit verkürzt. Insgesamt ergeben sich bei einer niedrigen bzw. einer hohen Temperatur eine lange bzw. kurze kritische Verweilzeit. Weiter kann die kritische Verweilzeit noch vom Material an sich, von der Chemie und/oder vom Druck abhängen.
Stand der Technik
Heutzutage können verschiedenste Bauteile, beispielsweise für Prototypen oder kleine Serien in einem 3D-Druck-Prozess, beispielsweise in extrudierenden oder aufschmelzenden 3D-Druck-Prozessen wie FDM hergestellt werden (z.B. EP 1 886 793 B1 ). Dazu wird eine gewisse Menge an Baumaterial, z.B. ein Kunststoff, ein thermoplastischer Werkstoff oder ein Stützmaterial aufgeschmolzen und in einer beheizten Düse einer Maschine, z.B. einer Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, einer Produktionsmaschine oder einer 3D-Druck-Maschine bereitgestellt. Das aufgeschmolzene Baumaterial steht in einer beheizten Düse zunächst unter einer thermischen Belastung. Das Bauteil wird dann beispielsweise Schicht für Schicht mit einer 3D-Druck-Maschine hergestellt, indem Baumaterial aus der Düse ausgetragen wird. Je nach Größe des Bauteils nimmt die Herstellung des Bauteils eine entsprechende Zeit in Anspruch, wobei die Herstellungsdauer in der Regel mit der Größe des Bauteils skaliert. Verweilt das Baumaterial beispielsweise zu lange bei einer zu hohen Temperatur, kann es zu einer Degradation bzw. thermischen Vorbelastung des Baumaterials kommen, wodurch sich eine physikalische und/oder chemische Strukturänderung des Baumaterials ergeben kann. Dadurch kann es z.B. zu Änderungen der Fließeigenschaften und/oder zu negativen Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Bauteile kommen.
In der DE 10 2013 004 845 A1 ist eine Zustandsüberwachungsvorrichtung für ein Harz offenbart, wobei die Zustandsüberwachungsvorrichtung eine Temperaturerfassungseinheit und eine Harzverschlechterungszustandsberechnungseinheit aufweist. Mit einer Warnungsausgabeeinheit wird eine Warnung ausgegeben, falls der von der Harzverschlechterungszustandsberechnungseinheit ermittelte Verschlechterungszustand einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet.
Im Stand der Technik wird bei 3D-Druck-Prozessen das bereitgestellte aufgeschmolzene Baumaterial unabhängig von der real vorliegenden Verweilzeit ausgespült, wodurch sich der Bedarf an Baumaterial unnötig erhöht. So kann es vorkommen, dass ein bestimmtes Baumaterial nur kurz für ein kleines Volumen eines großen Bauteils benötigt wird, sodass das in der Düse verweilende Baumaterial aufgrund einer langen Wartezeit die kritische Verweilzeit überschreitet und somit bei einer Verwendung zu schlechten Ergebnissen, z.B. hinsichtlich der Qualität des Bauteils führt. Wird beispielsweise ein großes Volumen eines anderen Baumaterials ausgetragen, verweilt das Baumaterial ebenfalls lange in der Düse, wodurch die kritische Verweilzeit überschritten werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils bereitzustellen, welches in Hinsicht auf den Verbrauch des benötigten Baumaterials und die Qualität des Bauteils optimiert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Maschinensteuerung mit den Merkmalen des Anspruchs 14, eine Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie durch ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Das Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils, aufweisend wenigstens zwei Baumaterialen, z.B. Kunststoffe, thermoplastische Werkstoffe oder Stützmaterialen mit je einer kritischen Verweilzeit T_x_max umfasst die unten folgenden Schritte. Die Herstellung des Bauteils kann bevorzugt in einem additiven Fertigungsverfahren oder einem 3D-Druckprozess, z.B. in einem schichtweisen Druckprozess (Schicht-für-Schicht-Verfahren) erfolgen. Die Stützmaterialen können nach dem Herstellungsprozess, z.B. einem 3D-Druckprozess vom Bauteil entfernt werden, beispielsweise durch ein Wegbrechen (mechanisches Lösen) und/oder durch eine Behandlung mit Wasser und/oder Chemikalien.
Zunächst werden Daten zur Herstellung des Bauteils wie z.B. CAD-, Geometrie-, Maschinen-, Peripheriegeräte-, Temperatur-, Baumaterialanzahl-, Baumaterialtemperatur- und/oder Baumaterialdaten bereitgestellt. Weiter können die Daten auch Informationen über die verwendete Maschine, z.B. eine Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, eine Produktionsmaschine oder eine 3D-Druck-Maschine, verwendete Peripheriegeräte oder Informationen über z.B. die Größe und Einstellung der Austragsdüsen aufweisen. Die Daten können beispielsweise als ein Datensatz, insbesondere als ein CAD-Datensatz z.B. einer Datenaufbereitung bereitgestellt werden. Die Daten können aber z.B. auch insgesamt oder teilweise separat der Datenaufbereitung bereitgestellt werden.
Das Bauteil wird in wenigstens einen Bauabschnitt, z.B. in eine Schicht oder mehrere Schichten mit entsprechenden Bauabschnittinformationen zerlegt. Die Bauabschnittinformationen können ähnliche Informationen wie die Daten zur Herstellung des Bauteils aufweisen z.B. Informationen hinsichtlich des Baumaterials, des Baumaterialvolumens, der Baumaterialtemperatur, der Baustrategie, des Herstellungsprozesses und/oder der verwendeten Maschine. Die Zerlegung kann beispielsweise automatisch von der Datenaufbereitung anhand der bereitgestellten Daten oder nach einer Auswahl des Bedieners erfolgen. Beispielsweise ist es bevorzugt möglich, dass der Bediener zunächst eine Baustrategie auswählt und daraufhin das Bauteil in wenigstens einen entsprechenden Bauabschnitt mit entsprechenden Bauabschnittinformationen zerlegt wird. Möglich ist auch, dass die Baustrategie je nach Bauteil automatisch ausgewählt wird. Weiter ist es möglich, dass bei der Zerlegung des Bauteils in Bauabschnitte auch ein Bedarf an Baumaterial, z.B. an Stützmaterial berechnet wird.
Aus den Bauabschnittinformationen wird wenigstens ein Baumaterialvolumen und wenigstens eine mittlere Austragsrate pro Bauabschnitt, z.B. pro Schicht abgeleitet. Bevorzugt erfolgt die Ableitung des wenigstens einen Baumaterialvolumens und der wenigstens einen mittleren Austragsrate pro Bauabschnitt je Baumaterial. Bevorzugt ist das Baumaterialvolumen und die mittlere Austragsrate pro Bauabschnitt von der ausgewählten Baustrategie abhängig.
Aus dem Baumaterialvolumen und der Austragsrate pro Bauabschnitt wird wenigstens eine Bauzeit pro Bauabschnitt und wenigstens eine resultierende Verweilzeit t_x_je Baumaterial berechnet. Beispielsweise wird das Baumaterialvolumen pro Bauabschnitt für das bauabschnittsbezogene Dosieren benötigt. Um vorteilhaft nicht unnötig viel Baumaterial bereit zu stellen und somit die resultierende Verweilzeit des Baumaterials im beheizten Zustand zu verringern, wird wenigstens ein, bevorzugt jedes Baumaterial nur entsprechend der in dem Bauabschnitt benötigten Baummaterialvolumenmenge kurz vor der Baumaterialablage aufgeschmolzen.
Bevorzugt ist es auch möglich, dass das Baumaterial diskontinuierlich aufgeschmolzen und/oder bereitgestellt wird. Das Baumaterial kann beispielsweise diskontinuierlich in einer Plastifiziereinheit, bevorzugt nach einer entsprechenden Vorgabe hinsichtlich des Volumens beispielsweise aus einem Datensatz, aufbereitet und als ein Massepolster bereitgestellt werden. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass für einen bestimmten Bauabschnitt nur ein entsprechendes Volumen an Baumaterial aufgeschmolzen werden soll. Das Massepolster wird dann während des Austrags leer gefahren. Danach kann wieder „neues“ Baumaterial bereitgestellt und/oder aufgeschmolzen werden. Das aufgeschmolzene Baumaterial kann dann in die Düse nachgereicht werden, sobald Baumaterial aus der Düse ausgetragen wurde. Die Düse ist somit stets mit Baumaterial befüllt.
In einem Abgleich werden die resultierenden Verweilzeiten mit den jeweiligen kritischen Verweilzeiten der entsprechenden Baumaterialien verglichen.
Um vorteilhaft eine Optimierung in Hinsicht auf den Verbrauch des benötigten Baumaterials und die Qualität des Bauteils zu erreichen, wird wenigstens eine Anpassung der Daten vorgenommen, sodass die jeweiligen resultierenden Verweilzeiten t_x unter den jeweiligen kritischen Verweilzeiten T_x_max der entsprechenden Baumaterialien liegen, wenn wenigstens eine resultierende Verweilzeit t_x die jeweilige kritische Verweilzeit T_x_max des entsprechenden Baumaterials überschreitet.
Die Anpassung kann z.B. in Form eines angepassten Datensatzes ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der angepasste Datensatz als ein maschinenlesbarer Code, z.B. als ein G-Code an die Maschine gesendet werden, um diesen prozessspezifisch zu fertigen. Beispielsweise enthält der G-Code die jeweiligen NC-Daten zum Verfahren der Achsen sowie die Anweisungen zur Baumaterialablage. Zudem können die berechneten Daten zum bauabschnittsbezogenen Volumen sowie die berechnete Verweilzeit mitgegeben werden. Die angepassten Daten können beispielsweise einer Maschinensteuerung und/oder der Maschine übergeben werden, deren Steuerung daraufhin den entsprechenden Baufortschritt mit den angepassten Daten weiter betreibt. Die Daten werden dann zur Herstellung des Bauteils verwendet.
Bevorzugt erfolgt wenigstens einer der oben genannten Schritte vor der ersten Herstellung des Bauteils, wodurch vorteilhaft der Herstellungsprozess besser geplant und Baumaterial eingespart werden kann.
Für eine vorteilhaft effektive Einsparung des Verbrauchs von Baumaterial erfolgt bevorzugt die Anpassung so, dass wenigstens ein Bauabschnitt und/oder die entsprechenden Bauabschnittinformationen geändert werden. Beispielsweise kann die Größe der Schichten und/oder Bauabschnitte geändert, zerlegt oder anders aufgeteilt werden. Die Anpassung kann beispielsweise von der Datenaufbereitung durchgeführt werden. Möglich ist auch, dass die Datenaufbereitung die Anpassung automatisch vornimmt oder der Bediener einen anzupassenden Bauabschnitt und die entsprechenden Bauabschnittinformationen auswählt und/oder anpasst.
Ist es z.B. nicht möglich, die Temperatur der Baumaterialien zu ändern und vorteilhaft eine Degradation bzw. thermische Vorbelastung der Baumaterialien zu verhindern, erfolgt bevorzugt die Anpassung dadurch, dass wenigstens eine resultierende Verweilzeit t_x geändert wird. Bevorzugt werden die resultierenden Verweilzeiten t_x aller Baumaterialien geändert. Beispielsweise kann dies realisiert werden, indem das Baumaterial an einer weniger relevanten Stelle in und/oder am Bauteil oder an einer anderen Stelle ausgetragen wird, sodass das Baumaterial nicht zu lange verweilen kann und es so vorteilhaft zu keiner Degradation bzw. keiner thermischen Vorbelastung kommt. Durch den Austrag des Baumaterials wird somit früher „frisches“ bzw. thermisch unbelastetes Baumaterial bereitgestellt und zur Verfügung gestellt. Durch die Austragung des Baumaterials aus der Düse wird „frisches“ bzw. thermisch unbelastetes Baumaterial aufgeschmolzen und in der Düse bereitgestellt und das thermisch vorbelastete Baumaterial wird weiter vorteilhaft noch sinnvoll verwendet. Die resultierende Verweilzeit t_x wird in diesem Fall verkleinert, vorzugsweise auf null gesetzt.
Wird ein Bauteil gefertigt, kann es vorkommen, dass ein bestimmtes Baumaterial beispielsweise lediglich am Anfang und dann wieder gegen Ende des Herstellungsprozesses benötigt wird. Das Baumaterial steht dabei jedoch die ganze Zeit unter thermischer Belastung, sodass das Baumaterial zumindest gegen Ende eine Degradation bzw. eine thermische Vorbelastung aufweisen könnte, da es über einen längeren Zeitraum, in der Mitte des Herstellungsprozesses, nicht verwendet und/oder ausgetragen wurde. Die Verweilzeit ist somit entsprechend hoch. Um vorteilhaft die Degradation bzw. thermische Vorbelastung zu vermindern bzw. zu verhindern, wird bevorzugt die resultierende Verweilzeit t_x so geändert, vorzugsweise verkleinert, indem wenigstens ein Zusatzelement hergestellt wird. Das Zusatzelement weist wenigstens ein Baumaterial auf, kann aber auch aus mehreren Baumaterialien gefertigt werden. Durch die Herstellung des Zusatzelements wird in kürzeren Abständen Baumaterial verwendet bzw. ausgetragen, sodass in kürzeren Zeitabständen „frisches“ bzw. thermisch unbelastetes Baumaterial zur Verfügung steht und somit die resultierende Verweilzeit t_x verkleinert wird, da das Baumaterial „schneller“ bzw. öfter ausgetragen wird.
Bevorzugt ist das Zusatzelement wenigstens ein weiteres Bauteil, welches weiter bevorzugt wenigstens teilweise invers zu dem herzustellenden Bauteil ist. Besteht beispielsweise der Einfachheit halber ein in Schichten aufgebautes Bauteil aus einem Baumaterial A und einem Baumaterial B, wobei es sich z.B. beim Baumaterial B auch um ein Stützmaterial handeln kann und wobei am Anfang und gegen Ende lediglich das Baumaterial A verwendet wird, würde das entsprechende Bauteil beispielsweise wie folgt aussehen: ABA. Die erste Schicht besteht in diesem Beispiel aus dem Baumaterial A, die zweite Schicht aus dem Baumaterial B und die dritte Schicht wieder aus dem Baumaterial A. Es wird ein entsprechendes weiteres (inverses) Bauteil BAB erzeugt, sodass das Baumaterial A auch zwischen Anfang und Ende des Herstellungsprozesses verwendet wird, wodurch vorteilhaft eine Degradation bzw. eine thermische Vorbelastung des Baumaterials A verhindert wird.
Bevorzugt weisen die Baumaterialien eine resultierende Verweilzeit t_x im Wesentlichen von null auf, da sie über die komplette Bauzeit entweder am Bauteil selbst oder am Zusatzelement oder dem weiteren Bauteil verwendet werden. Vorteilhaft ergibt sich dadurch im Wesentlichen keine Degradation bzw. keine thermische Vorbelastung des Baumaterials.
Um vorteilhaft zu gewährleisten, falls es bereits zu einer Degradation bzw. einer thermischen Vorbelastung des Baumaterials gekommen ist, dass das Bauteil ausschließlich aus nicht thermisch (vor)belastetem Baumaterial aufgebaut ist, erfolgt bevorzugt die Baumaterialablage in wenigstens einem Bauabschnitt, vorzugsweise in jedem Bauabschnitt zuerst an dem Zusatzelement. Im Falle einer Degradation bzw. einer thermischen Vorbelastung des Baumaterials wird das degradierte bzw. thermisch vorbelastete Baumaterial dadurch zuerst am Zusatzelement verwendet, sodass beim „richtigen“ Bauteil wieder „frisches“ bzw. nicht degradiertes bzw. thermisch vorbelastetes Baumaterial zur Verfügung steht. Am Zusatzelement kann somit bevorzugt degradiertes bzw. thermisch vorbelastetes Baumaterial verwendet bzw. ausgetragen werden, um Platz für „frisches“ bzw. thermisch unbelastetes Baumaterial zu schaffen.
Das Zusatzelement kann bevorzugt als wenigstens ein Teil des Bauteils ausgestaltet sein. Weiter bevorzugt kann das Zusatzelement in dem Bauteil implementiert sein. Vorteilhaft wird so kein weiteres bzw. zusätzliches Bauteil erzeugt, was Zeit spart. Es wird weiter vorteilhaft somit weniger Baumaterial ausgetragen und die Bauzeit sowie die Verweilzeit aller Baumaterialiendemensprechend nicht erhöht. Weiter vorteilhaft wird dadurch auch die resultierende Verweilzeit der anderen Baumaterialen nicht erhöht. Beispielsweise kann in dem Bereich einer Stützstruktur oder einer Stützgeometrie das Zusatzelement hinzugefügt werden oder das Zusatzelement kann in die Stützstruktur oder die Stützgeometrie implementiert werden oder diese bilden, wobei das Zusatzelement wenigstens ein Baumaterial aufweist.
Um vorteilhaft das gewünschte Bauelement zu erhalten, wird bevorzugt nach der Herstellung des Bauteils das Zusatzelement entfernt. Beispielsweise ist es so möglich, die mit einem Stützmaterial gefertigte Stützstruktur und das darin eingebettete Zusatzelement nach dem Herstellungsprozess zusammen zu entfernen. Das Entfernen des Zusatzelements kann beispielsweise durch eine Behandlung mit Wasser und/oder Chemikalien und/oder durch ein Wegbrechen (mechanisches Entfernen) erfolgen.
Während eines Herstellungsprozesses, z.B. eines 3D-Druckprozesses kann es vorkommen, dass beispielsweise kein Zusatzelement und/oder weiteres Bauteil gefertigt werden kann, da dies z.B. einen zu hohen Baumaterialverbrauch darstellen würde. Um vorteilhaft dennoch eine Degradation bzw. thermische Vorbelastung zu verhindern, erfolgt bevorzugt die Anpassung so, dass wenigstens eine kritische Verweilzeit T_x_max geändert, vorzugsweise vergrößert wird. Prinzipiell ist es bevorzugt denkbar, dass alle kritischen Verweilzeiten aller Baumaterialien geändert werden. Die kritische Verweilzeit T_x_max des Baumaterials ist unter anderem z.B. vom Baumaterial selbst, von der Chemie und von der Temperatur abhängig. Beispielsweise könnte ein anderes Baumaterial verwendet werden, dem Baumaterial könnten chemische Zusätze und/oder Stabilisatoren beigemischt oder die Temperatur der Baumaterialien könnte variiert werden. Beispielsweise kann bei zu sehr unterschiedlichen Baumaterialaufteilungen und langen Bauaufträgen die jeweilige Temperatur der Düse auf eine unkritische Temperatur abgesenkt werden, sodass eine längere kritische Verweilzeit T_x_max ohne Degradation bzw. thermische Vorbelastung realisiert wird. Beispielsweise ist es auch möglich, ein Baumaterial erst kurz vor der Baumaterialablage z.B. in einer oberen Schicht des Bauteils auf eine entsprechend hohe Temperatur aufzuheizen. Daneben kann z.B. die Temperatur eines Baumaterials nach den ersten Schichten, wenn das Baumaterial für die folgenden Schichten nicht mehr benötigt wird, abgesenkt werden.
Die kritische Verweilzeit T_x_max ist unter anderem von der Temperatur abhängig. Wird bevorzugt die Temperatur des jeweiligen Baumaterials abgesenkt, wird die kritische Verweilzeit vorteilhaft insgesamt größer bzw. geht für bestimmte Temperaturen gegen unendlich. D.h., dass bei dieser bestimmten Temperatur eine Degradation bzw. eine thermische Vorbelastung des Baumaterials vorteilhaft nicht erfolgt. Bevorzugt wird die kritische Verweilzeit T_x_max so geändert, vorzugsweise vergrößert, indem die Temperatur wenigstens eines Baumaterials für wenigstens eine bestimmte Zeitspanne geändert, vorzugsweise verringert wird. Weiter bevorzugt erfolgt die Änderung der Temperatur während, vor und/oder nach der Herstellung des Bauteils.
Um vorteilhaft nicht unnötig viel Baumaterial bereit zu stellen und somit die resultierende Verweilzeit im beheizten Zustand zu verringern, wird bevorzugt jedes Baumaterial nur entsprechend der in dem Bauabschnitt benötigten Volumenmenge kurz vor der Baumaterialablage bereitgestellt und aufgeschmolzen.
Für einen vorteilhaft geringen Verbrauch von Baumaterial werden bevorzugt mehrere Anpassungen miteinander kombiniert. Beispielsweise kann z.B. bei einer ungünstigen Baumaterialaufteilung bei einem Multibaumaterialbauteil die Temperatur der Baumaterialien des Bauteils geändert werden, was in einer größeren kritischen Verweilzeit T_x_max resultiert, und gleichzeitig wenigstens ein Zusatzelement, beispielsweise in der Stützstruktur des Bauteils hinzugefügt und/oder implementiert werden, wodurch sich eine geringere resultierende Verweilzeit t_x ergibt. Bevorzugt können so wenigstens zwei Anpassungen gleichzeitig greifen.
Um vorteilhaft während der Herstellung des Bauteils eine Degradation bzw. eine thermische Vorbelastung zu verhindern, wird während des Herstellungsprozesses wenigstens eine Überwachung der resultierenden Verweilzeiten t_x und/oder der Fließeigenschaften der Baumaterialien, z.B. des Prozessdrucks oder der Baumaterialviskosität durchgeführt. Beispielsweise werden die IST-Daten der Maschine mit den SOLL-Daten der Datenaufbereitung mittels eines Reglers stetig abgeglichen und ggf. angepasst. Denkbar ist auch, dass mehrere unterschiedliche Überwachungen durchgeführt werden.
Bevorzugt wird bei einer Überschreitung wenigstens einer resultierenden Verweilzeit gegenüber der entsprechenden kritischen Verweilzeit wenigstens eines Baumaterials und/oder bei einer Änderung der Fließeigenschaften, z.B. des Prozessdrucks oder der Baumaterialviskosität wenigstens eines Baumaterials das entsprechende Baumaterial ausgetragen und/oder neues Baumaterial bereitgestellt und/oder aufbereitet.
Wird beispielsweise registriert, dass von den Baumaterialien A, B und C die Baumaterialien A und C jeweils eine höhere resultierende Verweilzeit als die entsprechende kritische Verweilzeit aufweisen und/oder sich deren Fließeigenschaften ändern, beispielsweise gegenüber den Fließeigenschaften zu Beginn des Herstellungsprozesses, werden die Baumaterialien A und C ausgetragen und neues bzw. thermisch unbelastetes Baumaterial A und C bereitgestellt und/oder aufbereitet. Vorteilhaft wird so die resultierende Verweilzeit t_x verringert bzw. beginnt bevorzugt wieder bei null (t_x = 0). Beispielsweise kann durch eine Maschinenansteuerung das Baumaterial ausgetragen und neues Baumaterial bereitgestellt und/oder aufbereitet werden. Vorzugsweise wird vor der Bereitstellung und/oder Aufbereitung des neuen Baumaterials das thermisch vorbelastete Baumaterial ausgetragen. Beispielsweise kann dazu der Bauprozess bevorzugt unterbrochen werden. Es ist weiter bevorzugt aber auch möglich, dass während der Verwendung eines anderen Baumaterials, das thermisch vorbelastete Baumaterial ausgetragen wird, wodurch vorteilhaft Zeit gespart wird.
Bevorzugt wird bei einer Überschreitung wenigstens einer resultierenden Verweilzeit über die entsprechende kritische Verweilzeit eines Baumaterials und/oder bei einer Änderung der Flie-ßeigenschaften wenigstens ein Spülvorgang initiiert. Der Spülvorgang kann z.B. automatisch mittels einer Spülstation oder manuell durch ein Austragen in einen entsprechenden Auffangbehälter erfolgen.
Die Aufgabe wird zudem durch eine Maschinensteuerung für eine Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, insbesondere für eine 3D-Druck-Maschine gelöst. Für eine vorteilhafte Optimierung in Hinsicht auf den Verbrauch des benötigten Baumaterials und die Qualität des Bauteils ist die Maschinensteuerung eingerichtet, ausgeführt und/oder konstruiert, um das vorher beschriebene Verfahren auszuführen.
Auch wird die Aufgabe durch eine Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, insbesondere eine 3D-Druck-Maschine gelöst. Für eine vorteilhafte Optimierung in Hinsicht auf den Verbrauch des benötigten Baumaterials und die Qualität des Bauteils ist die Maschine eingerichtet, ausgeführt und/oder konstruiert, um das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
Ebenfalls wird die Aufgabe durch ein Computerprogrammprodukt gelöst. Für Vorteile hinsichtlich einer Optimierung auf den Verbrauch des benötigten Baumaterials und die Qualität des Bauteils ist das Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode auf einem Computer lesbaren Medium gespeichert zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und durch Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 ein Flussdiagramm,
2 - 4 Alternativen eines Bauteils und eines weiteren Bauteils (inverses Bauteil),
5 ein Bauteil und ein Bauteil mit Zusatzelementen,
6 ein Bauteil,
7 ein Bauteil und ein Bauteil mit Zusatzelementen,
8a, 8b Flussdiagramme.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, ist darauf hinzuweisen, dass sie nicht auf die jeweiligen Bauteile der Vorrichtung sowie die jeweiligen Verfahrensschritte beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn zudem in der Beschreibung oder in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas Anderes deutlich macht.
1 zeigt ein Flussdiagramm 100, das den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung wenigstens eines Bauteils, z.B. in einem 3D-Druckprozess, aufweisend wenigstens zwei Baumaterialen, z.B. Kunststoffe, thermoplastische Werkstoffe oder Stützmaterialen mit je einer kritischen Verweilzeit T_x_max, darstellt. In einer Datenaufbereitung 102 werden in einem Schritt 106 Daten 104 zur Herstellung des Bauteils, wie z.B. CAD-, Geometrie-, Maschinen-, Peripheriegeräte-, Temperatur-, Baumaterialanzahl-, Baumaterialtemperatur- oder Baumaterialdaten bereitgestellt. Weiter können die Daten auch Informationen über die verwendete Maschine, z.B. eine Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, eine Produktionsmaschine oder eine 3D-Druck-Maschine, Peripheriegeräte oder Informationen über z.B. die Größe der Austragsdüsen aufweisen. Die Daten 104 können beispielsweise als ein Datensatz, z.B. als ein CAD-Datensatz einer Datenaufbereitung 102, einer Maschinensteuerung und/oder einer Maschine bereitgestellt werden. Die Daten 104 können aber auch z.B. separat der Datenaufbereitung 102 bereitgestellt werden.
In einem Schritt 108 wird das Bauteil von der Datenaufbereitung in wenigstens einen Bauabschnitt, z.B. in eine Schicht oder mehrere Schichten n mit entsprechenden Bauabschnittinformationen zerlegt. Die Zerlegung kann beispielsweise automatisch von der Datenaufbereitung oder je nach einer Auswahl des Bedieners erfolgen. Bevorzugt ist es in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch möglich, dass der Bediener zunächst eine Baustrategie auswählt und daraufhin das Bauteil in wenigstens einen entsprechenden Bauabschnitt mit entsprechenden Bauabschnittinformationen zerlegt wird. Möglich ist auch, dass die Baustrategie je nach Bauteil automatisch ausgewählt wird. Weiter ist es in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel möglich, dass bei der Zerlegung des Bauteils in Bauabschnitte auch ein Bedarf S an Baumaterial, z.B. an Stützmaterial berechnet wird.
In einem Schritt 110 wird wenigstens ein Baumaterialvolumen und wenigstens eine mittlere Austragsrate pro Bauabschnitt, z.B. pro Schicht aus den Bauabschnittinformationen abgeleitet. Vorzugsweise werden je Baumaterial das entsprechende Baumaterialvolumen (z.B. V_A_n, V_B_n, V_C_n, ..., V_S_n) und die entsprechende mittlere Austragsrate (z.B. Q_A_n, Q_B_n, Q_C_n, ..., Q_S_n) pro Bauabschnitt abgeleitet. Das Baumaterialvolumen und die mittlere Austragsrate pro Bauabschnitt sind bevorzugt von der ausgewählten Baustrategie abhängig.
Die Berechnung wenigstens einer Bauzeit (z.B. T_A_n, T_B_n, T_C_n, ..., T_S_n) pro Bauabschnitt und wenigstens einer resultierenden Verweilzeit t - x je Baumaterial (z.B. t_A, t_B, t_C, ..., t_S) aus dem Baumaterialvolumen und der Austragsrate wird in einem Schritt 112 durchgeführt. Das Baumaterialvolumen pro Bauabschnitt wird beispielsweise für das bauabschnittsbezogene Dosieren benötigt. Um vorteilhaft nicht unnötig viel Baumaterial bereit zu stellen und somit die resultierende Verweilzeit des Baumaterials im beheizten Zustand zu verringern, wird das Baumaterial nur entsprechend der in dem Bauabschnitt benötigten Baummaterialvolumenmenge kurz vor der Baumaterialablage aufgeschmolzen.
In einem Schritt 114 werden die resultierenden Verweilzeiten t_x (z.B. t_A, t_B, t_C,..., t_S) mit den jeweiligen kritischen Verweilzeiten T_x_max der entsprechenden Baumaterialien (z.B. T_A_max, T_B_max, T_C_max, ..., T_S_max) abgeglichen. Ergibt der Abgleich, dass die resultierenden Verweilzeiten t_x der jeweiligen Baumaterialien unterhalb der jeweiligen kritischen Verweilzeiten T_x_max liegen, erfolgt keine Anpassung des Herstellungsprozesses. Die Daten können dann in einem Schritt 119 z.B. von der Datenaufbereitung an eine Maschinensteuerung oder an eine Maschine, z.B. eine Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, eine Produktionsmaschine oder eine 3D-Druck-Maschine gegeben werden. Die Daten können dann zur Herstellung des Bauteils verwendet werden.
Ergibt der Abgleich, dass wenigstens eine resultierende Verweilzeit t_x die jeweilige kritische Verweilzeit T_x_max des entsprechenden Baumaterials überschreitet, wird in Schritt 116 eine Anpassung der Daten 104 so vorgenommen, dass die jeweiligen resultierenden Verweilzeiten t_x unter den jeweiligen kritischen Verweilzeiten T_x_max der entsprechenden Baumaterialien liegen. Die Daten werden dann in einem Schritt 118 zur Herstellung des Bauteils verwendet.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Anpassung der Daten 104 so, dass wenigstens ein Bauabschnitt und/oder die entsprechenden Bauabschnittinformationen, z.B. von der Datenaufbereitung 102 angepasst werden.
Um vorteilhaft eine Degradation bzw. thermische Vorbelastung des Baumaterials zu vermeiden, erfolgt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Anpassung der Daten 104 so, dass wenigstens eine resultierende Verweilzeit t_x geändert wird. Durch die bevorzugt verkürzte resultierende Verweilzeit t_x steht das Baumaterial für eine kürzere Zeitspanne unter thermischer Belastung, wodurch eine Degradation verhindert wird.
In den bevorzugten Ausführungsbeispielen in 2 bis 5 wird die resultierende Verweilzeit t_x geändert, vorzugsweise verkleinert, indem wenigstens ein Zusatzelement 210 hergestellt wird.
Im Ausführungsbeispiel in 2 ist auf der linken Seite ein Bauteil 200 dargestellt, welches aus zwei Baumaterialien 206 (S), 208 (A) aufgebaut ist. Die Änderung der resultierenden Verweilzeit t_x erfolgt in 2 so, dass wenigstens ein Zusatzelement 210 hergestellt wird. In 2 ist das Zusatzelement 210 ein weiteres Bauteil 202 (inverses Bauteil), das wenigstens teilweise invers zu dem Bauteil 200 ist. Auf der rechten Seite in 2 ist das weitere Bauteil 202 (inverses Bauteil) abgebildet. Prinzipiell könnte in 2 auch das linke Bauteil das weitere Bauteil 202 (inverse Bauteil) darstellen. In diesem Fall wäre dann das Bauteil auf der rechten Seite das „richtige“ Bauteil.
Bevorzugt werden in 2 beide Baumaterialien ausgetragen. Vorteilhaft „steht“ somit keines der Baumaterialien länger, wodurch sich die kritische Verweilzeit erhöhen würde. Beispielsweise erfolgt im Ausführungsbeispiel in 2 die Herstellung des Bauteils 200 und des weiteren Bauteils 202 bevorzugt so, dass z.B. wenigstens ein Bauabschnitt, z.B. eine Schicht 204, bevorzugt mehrere Schichten, schichtweise von unten nach oben ausgetragen werden. Es ist aus 2 ersichtlich, dass in einer ersten (unteren) Schicht beide Baumaterialien 208 (A) und 206 (S) gleich lang bzw. oft ausgetragen wurden bzw. für die Baumaterialien 208 (A) und 206 (S) jeweils das gleiche Volumen ausgetragen wurde. Einmal wurde in der ersten (untersten) Schicht des Bauteils 200 das Baumaterial 208 (A) ausgetragen (linke Seite) und einmal wurde ebenfalls in der ersten (untersten) Schicht des weiteren Bauteils 202 das Baumaterial 206 (S) genauso häufig ausgetragen (rechte Seite). Die ausgetragenen Volumina der beiden Baumaterialien 208 (A) und 206 (S) in 2 sind bevorzugt somit für das Bauteil 200 und für das weitere Bauteil 202 zusammengenommen gleich groß. Prinzipiell können die ausgetragenen Volumina jedoch auch unterschiedlich sein. Im Wesentlichen geht es darum, dass beide Baumaterialien ausgetragen werden, und keines der Baumaterialien länger „steht“, wodurch die Verweilzeit erhöht wird. Beispielsweise können die Baumaterialien bei unterschiedlichen kritischen Verweilzeiten unterschiedlich oft ausgetragen werden.
Bevorzugt wird bei der Herstellung des Bauteils 200 und des weiteren Bauteils 202 zusammen pro Baumaterial insgesamt jeweils das Volumen des Bauteils 200 verbraucht. Das Volumen des Baumaterials 206 (S) des Bauteils 200 und des weiteren Bauteils 202 entspricht dem Volumen des Baumaterials 208 (A) des Bauteils 200 und des weiteren Bauteils 202, wodurch sich unter der Voraussetzung einer gleichen mittleren Austragsrate pro Schicht in 2 jeweils auch eine gleiche Bauzeit der Baumaterialen 206 (S) und 208 (A) ergibt. Die resultierende Verweilzeit t_x der Baumaterialen 206 (S) und 208 (A) ist im Falle einer parallelen Herstellung der Bauteile 200 und 202 im Ausführungsbeispiel in 2 ebenfalls gleich bzw. im Wesentlichen gleich null, da beide Baumaterialen 206 (S) und 208 (A) über den gesamten Herstellungsprozess dauernd in Benutzung sind.
Im Ausführungsbeispiel in 2 erfolgt die Baumaterialablage bevorzugt in wenigstens einem Bauabschnitt, bevorzugt in jedem Bauabschnitt zuerst an dem Zusatzelement 210 bzw. an dem weiteren Bauteil 202. Zunächst werden die ersten Schichten mit dem Baumaterial 206 (S) für das weitere Bauteil 202 ausgetragen, bis im Herstellungsprozess wenigstens einmal das Baumaterial 208 (A) für das weitere Bauteil 202 für eine bestimmte Zeit ausgetragen wurde. Nach einer bestimmten Zeit bzw. nach einem bestimmten Austrag des Baumaterials 208 (A) für das weitere Bauteil 202, z.B. nach einer Schicht 204, wird dann das Bauteil 200 bzw. in 2 die erste Schicht 204 des Bauteils 200 mit dem Baumaterial 208 (A) ausgetragen. Dadurch kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass das Bauteil 200 ausschließlich aus nicht thermisch vorbelastetem Baumaterial aufgebaut wird. Das weitere Bauteil 202 dient praktisch dazu, thermisch vorbelastetes Baumaterial auszutragen, sodass das Bauteil 200 aus nicht thermisch vorbelastetem Baumaterial aufgebaut werden kann. Daher ist die Form des weiteren Bauteils 202 prinzipiell beliebig.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Austragung der Baumaterialien 206 (S) und 208 (A) auch zeitgleich bzw. parallel erfolgen, da beispielsweise pro Baumaterial 206 (S), 208 (A) jeweils eine separate Austragsdüse vorgesehen sein kann. Weiter bevorzugt können das Bauteil 200 und das weitere Bauteil 202 zeitgleich hergestellt werden. Das Bauteil 200 und das weitere Bauteil 202 werden in diesem Fall bevorzugt beabstandet voneinander hergestellt, da die Austragsdüsen einen Abstand zueinander aufweisen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist auf der linken Seite ein Bauteil 300 dargestellt, welches aus drei Baumaterialien 206 (S), 208 (A) und 310 (B) aufgebaut ist. Auf der rechten Seite ist das entsprechende weitere Bauteil 302 (inverses Bauteil) abgebildet, was in 3 etwa doppelt so groß ist wie das Bauteil 300. Prinzipiell kann das weitere Bauteil 302 auch in mehrere Bauteile zerlegt werden. Auch hier kann das Bauteil 300 und/oder das weitere Bauteil 302 aus wenigstens einer Schicht 204, bevorzugt aus mehreren Schichten, z.B. Schicht 204 für Schicht 204, aufgebaut sein. Die jeweiligen ausgetragenen Volumen der drei Baumaterialien 206 (S), 208 (A) und 310 (B), also das Bauteil 300 und das weitere Bauteil 302 zusammengenommen, sind insgesamt gleich und entsprechen in 3 dem Volumen des Bauteils 300, sodass sich unter der Voraussetzung jeweils einer gleichen mittleren Austragsrate pro Schicht dieselbe Bauzeit der drei Baumaterialien 206 (S), 208 (A) und 310 (B) ergibt. Auch ist im Falle einer parallelen Herstellung der Bauteile 300 und 302 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die resultierende Verweilzeit t_x der Baumaterialen 206 (S), 208 (A) und 310 (B) gleich bzw. im Wesentlichen gleich null, da die Baumaterialen 206 (S), 208 (A) und 310 (B) über den gesamten 3D-Druckprozess dauernd in Benutzung sind.
Wie bereits für die Ausführungsbeispiele in den 2 und 3 gezeigt, gilt Ähnliches auch für ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß 4. In 4 ist auf der linken Seite ein Bauteil 400 dargestellt, welches aus vier Baumaterialien 208 (A), 206 (S), 310 (B) und 412 (C) aufgebaut ist. Auf der rechten Seite ist das Zusatzelement 210 bzw. ein weiteres Bauteil 402 dargestellt, welches etwa dreimal so groß wie das Bauteil 400 ist. Auch hier kann das Bauteil 400 und/oder das weitere Bauteil 402 aus wenigstens einer Schicht 204, bevorzugt aus mehreren Schichten, schichtweise aufgebaut sein. Wie bereits in den Ausführungsbeispielen in 2 und 3 sind auch im Ausführungsbeispiel gemäß 4 die Volumen der vier Baumaterialien 208 (A), 206 (S), 310 (B) und 412 (C) zusammengenommen gleich, sodass sich unter der Voraussetzung jeweils einer gleichen mittleren Austragsrate pro Schicht jeweils dieselbe Bauzeit für die vier Baumaterialien 208 (A), 206 (S), 310 (B) und 412 (C) ergibt. Auch ist im Falle einer parallelen Herstellung der Bauteile 400 und 402 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 die resultierende Verweilzeit t_x der Baumaterialien 208 (A), 206 (S), 310 (B) und 412 (C) gleich bzw. im Wesentlichen gleich null, da die Baumaterialien 208 (A), 206 (S), 310 (B) und 412 (C) über den gesamten 3D-Druckprozess dauernd in Benutzung sind. Prinzipiell kann das Bauteil beliebig viele Baumaterialen aufweisen. Werden in weiteren Ausführungsbeispielen mehr Baumaterialien verwendet, erweitert sich entsprechend die Größe des weiteren Bauteils.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist auf der linken Seite ein Bauteil 500 dargestellt, welches aus zwei Baumaterialien 206 (S) und 208 (A) aufgebaut ist und dem Bauteil 200 aus 2 entspricht. Bei dem Baumaterial 206 (S) kann es sich beispielsweise um ein Stützmaterial handeln, das nach dem Herstellungsprozess entfernt werden kann. Das Bauteil 500 ist aus wenigstens einer Schicht 204, bevorzugt aus mehreren Schichten, in einem additiven Fertigungsverfahren oder einem 3D-Druckprozess, z.B. in einem schichtweisen Druckprozess (Schicht-für-Schicht-Verfahren) aufgebaut. Wenigstens ein Zusatzelement 210 wird in 5 in dem Bauteil 500, z.B. in einer Stützstruktur bestehend aus dem Baumaterial 206 (S) implementiert. Das Ergebnis ist auf der rechten Seite in 5 als Bauteil 502 mit zwei Zusatzelementen 210 abgebildet. In 5 wurden dem Bauteil 500 auf der linken Seite zwei Zusatzelemente 210 bestehend aus dem Baumaterial 208 (A) implementiert, welche nach dem Herstellungsprozess zusammen mit dem Baumaterial 206 (S) entfernt werden können. Das Baumaterial 208 (A) wird durch die Implementierung der Zusatzelemente 210 somit häufiger verwendet bzw. ausgetragen, sodass sich vorteilhaft insgesamt eine kürzere Verweilzeit des Baumaterials 208 (A) ergibt. Die Zusatzelemente 210 in 5 haben weiter vorteilhaft noch zusätzlich eine Aufgabe als eine Stützstruktur während des Herstellungsprozesses, da diese das gesamte Bauteil 502 stabilisiert.
Prinzipiell ist die Form der Zusatzelemente 210 beliebig. Wichtig ist, dass das entsprechende Baumaterial verwendet bzw. ausgetragen wird und sich so die resultierende Verweilzeit t_x verkürzt. Mit anderen Worten wird im Ausführungsbeispiel in 5 in den unteren Schichten des Bauteils 500 lediglich das Baumaterial 208 (A) verwendet. Im mittleren Bereich des Bauteils 500 wird weniger Baumaterial 208 (A) und mehr das Baumaterial 206 (S) verwendet. Daher kann es vorkommen, dass das Baumaterial 208 (A) lange „steht“ und sich die resultierende Verweilzeit des Baumaterials 208 (A) entsprechend vergrößert und größer als die kritische Verweilzeit wird. Der Grund hierfür ist, dass wenig Material ausgetragen wird und somit länger im thermisch belastetem Zustand verweilt, wodurch sich die resultierende Verweilzeit des Baumaterials 208 (A) vergrößert. Daher werden im Ausführungsbeispiel in 5 auf der rechten Seite zwei Zusatzelemente 210 in das Baumaterial 206 (S) des Bauteils 502 implementiert. Dadurch wird die Verweilzeit des Baumaterials 208 (A) verringert, da das Baumaterial 208 (A) in kürzeren Abständen in Benutzung ist. Weiter wird das Baumaterial 208 (A) vorteilhaft auch noch auf eine sinnvolle Art, z.B. als Stützstruktur verwendet.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 5 wird nach der Herstellung des Bauteils 502 das Zusatzelement 210 entfernt. In 5 ist das die Zusatzelemente 210 umgebene Baumaterial 206 (S) ein Stützmaterial, das nach dem Herstellungsprozess entfernt werden kann, beispielsweise durch eine Behandlung mit Wasser und/oder Chemikalien und/oder durch ein Wegbrechen (mechanisches Entfernen). Durch das Entfernen des Baumaterials 206 (S) werden auch die darin eingebetteten Zusatzelemente 210 entfernt.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die Anpassung so, dass wenigstens eine kritische Verweilzeit T_x_max geändert wird. Die kritische Verweilzeit T_x_max des Baumaterials ist unter anderem abhängig vom Baumaterial selbst, von der Chemie und von der Temperatur. Beispielsweise könnte ein anderes Baumaterial verwendet werden, dem Baumaterial chemische Zusätze und/oder Stabilisatoren beigemischt oder die Temperatur variiert werden. Wird beispielsweise die Temperatur des jeweiligen Baumaterials abgesenkt, erhöht sich die kritische Verweilzeit T_x_max. Bevorzugt geht diese für eine entsprechende Temperatur gegen unendlich, sodass keine Degradation bzw. thermische Vorbelastung auftreten kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 6 wird die kritische Verweilzeit T_x_max geändert, indem die Temperatur wenigstens eines Baumaterials für wenigstens eine bestimmte Zeitspanne geändert, vorzugsweise abgesenkt wird. In 6 ist ein Bauteil 600 dargestellt, welches aus vier Baumaterialien 310 (B), 412 (C), 206 (S) und 208 (A) aufgebaut ist und dem Bauteil 400 aus 4 entspricht. Das Bauteil 600 in 6 ist aus mehreren Schichten, schichtweise von unten nach oben aufgebaut. In 6 wird zu einem Zeitpunkt 610 die Temperatur des Baumaterials 208 (A) abgesenkt, da das Baumaterial 208 (A) für den restlichen 3D-Druckprozess nicht mehr benötigt wird. Bevorzugt werden zuvor die Temperaturen der Baumaterialien 412 (C) und 206 (S) auf eine entsprechende Temperatur erhöht, da diese Baumaterialien zuvor nicht benötigt wurden.
Beispielsweise kann bei zu sehr unterschiedlichen Baumaterialaufteilungen und langen Bauaufträgen die jeweilige Temperatur des Baumaterials bzw. der entsprechenden Düse auf eine unkritische Temperatur abgesenkt werden, sodass eine längere resultierende Verweilzeit ohne Materialabbau realisiert wird bzw. die kritische Verweilzeit größer, bevorzugt gegen unendlich geht. In einem Zeitpunkt 614 werden die Temperaturen der Baumaterialen 412 (C) und 206 (S) abgesenkt, da diese ebenfalls nicht mehr benötigt werden. Die Temperaturen sind entsprechend niedrig, sodass entsprechend die kritische Verweilzeit T_x_max groß ist, bevorzugt gegen unendlich geht. In einem Zeitpunkt 612 wird bevorzugt die Temperatur des Baumaterials 310 (B) erhöht, da das Baumaterial 310 (B) erst im weiteren Verlauf der Herstellung des Bauteils 600, zuvor aber nicht benötigt wurde. Da das Baumaterial 310 (B) im Anschluss über die komplette restliche Zeit benutzt wird, ist trotz der Temperaturerhöhung des Baumaterials 310 (B) bevorzugt die resultierende Verweilzeit des Baumaterials 310 (B) kleiner als die kritische Verweilzeit T_x_max des Baumaterials 310 (B), sodass keine Degradation bzw. thermische Vorbelastung des Baumaterials 310 (B) auftritt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 7 werden mehrere Anpassungen miteinander kombiniert. In 7 ist auf der linken Seite ein Bauteil 700 dargestellt, welches aus drei Baumaterialien 208 (A), 206 (S) und 310 (B) aufgebaut ist und dem Bauteil 300 aus 3 entspricht. Wie das Bauteil 300 aus 3 ist auch das Bauteil 700 in 7 aus mehreren Schichten bzw. schichtweise von unten nach oben aufgebaut. Eine Anpassung an dem Bauteil 700 erfolgt so, dass wie bereits oben anhand von 5 ausgeführt wenigstens ein Zusatzelement 210 dem Bauteil 700 hinzugefügt wird. Das Ergebnis ist auf der rechten Seite in 7 als Bauteil 702 dargestellt. Das Bauteil 702 weist zwei Zusatzelemente 210 bestehend aus dem Baumaterial 208 (A) auf. Bevorzugt ist das die Zusatzelemente 210 umgebene Baumaterial 206 (S) ein Stützmaterial, das nach dem Herstellungsprozess mit den darin eingebetteten Zusatzelementen 210 entfernt werden kann. Eine weitere Anpassung entsprechend der rechten Seite in 7 erfolgt dadurch, dass beispielweise erst zu einem Zeitpunkt 710 bzw. zu einem Zeitpunkt 712 die Temperatur des Baumaterials 206 (S) bzw. die Temperatur des Baumaterials 310 (B) erhöht wird, da diese vorher nicht benötigt werden (siehe auch Ausführungsbeispiel gemäß 6). In einem Zeitpunkt 714 werden die Temperaturen der nicht mehr benötigten Baumaterialien 208 (A) und 206 (S) abgesenkt, sodass deren kritische Verweilzeit T_x_max erhöht wird, bevorzugt gegen unendlich geht.
In 7 werden auf der rechten Seite somit zwei Anpassungen durchgeführt. Zum einen werden Zusatzelemente 210 dem Bauteil 700 hinzugefügt, wodurch sich die resultierende Verweilzeit t_x des Baumaterials 208 (A) ändert bzw. verkürzt, da es in kürzeren Abständen wegen den Zusatzelementen 210 ausgetragen wird. Zum anderen werden die kritischen Verweilzeiten T_x_max geändert, indem beispielsweise die Temperatur des Baumaterials 310 (B) erst in dem Zeitpunkt 712 erhöht wird bzw. die Temperaturen der Baumaterialien 208 (A) bzw. 206 (S) in den Zeitpunkten 710 bzw. 714 abgesenkt werden und somit die kritischen Verweilzeiten geändert bzw. erhöht werden.
Um vorteilhaft während der Herstellung eine Degradation bzw. thermische Vorbelastung zu verhindern, liegen bevorzugt unterschiedliche Prozessüberwachungen vor. Dabei werden IST-Daten der Maschine mit den SOLL-Daten der Datenaufbereitung mittels eines Reglers stetig abgeglichen und ggf. angepasst. Bevorzugt wird in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel während der Herstellung des Bauteils wenigstens eine Überwachung der resultierenden Verweilzeiten und/oder der Fließeigenschaften der Baumaterialien, z.B. Prozessdrücke oder Baumaterialviskosität durchgeführt. Z.B. wird die real vorliegende Bauzeit der Baumaterialien jedes Bauabschnitts mit der aus der Datenaufbereitung berechneten Bauzeit pro Bauabschnitt abgeglichen. Liegt eine Degradation bzw. thermische Vorbelastung des Materials vor, ändern sich die Fließeigenschaften und es kommt zu Abweichungen bzw. Schwankungen z.B. im Prozessdruck, die von der Maschine bzw. deren Messsensoren erkannt werden können.
Bei einer Überschreitung wenigstens einer resultierenden Verweilzeit über die entsprechende kritische Verweilzeit eines Baumaterials und/oder bei einer Änderung der Fließeigenschaften, z.B. des Prozessdrucks oder der Baumaterialviskosität wenigstens eines Baumaterials wird in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel die entsprechend resultierende Verweilzeit t_x reduziert, indem neues Baumaterial bereitgestellt und/oder aufbereitet wird.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird bei einer Überschreitung wenigstens einer resultierenden Verweilzeit über die entsprechende kritische Verweilzeit eines Baumaterials und/oder bei einer Änderung der Fließeigenschaften das entsprechende Baumaterial ausgetragen, z.B. in einem Zusatzelement 210 und/oder neues Baumaterial wird bereitgestellt und/oder aufbereitet. Bevorzugt erfolgt die Aufbereitung und/oder Bereitstellung des neuen Baumaterials im Anschluss an die Austragung.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird bei einer Überschreitung wenigstens einer resultierenden Verweilzeit über die entsprechende kritische Verweilzeit eines Baumaterials und/oder bei einer Änderung der Fließeigenschaften wenigstens ein Spülvorgang initiiert.
Werden beispielsweise während des Bauprozesses Abweichungen ermittelt, z.B. in der Bauzeit pro Bauabschnitt, im Prozessdruck oder in der Baumaterialviskosität, greifen je nach vorliegender Ausrüstung der Maschine unterschiedliche Methoden. Liegt z.B. eine Spülstation vor, wird ein Spülvorgang initiiert, sodass degradiertes bzw. thermisch vorbelastetes Baumaterial ausgespült werden kann. Liegt keine Spülstation vor, wird z.B. der Bauprozess unterbrochen und der Bediener aufgefordert, das thermisch vorgeschädigte Baumaterial manuell in einem entsprechenden Behälter aufzufangen. Prinzipiell ist es auch möglich, dass der Bauprozess nicht unterbrochen wird und das thermisch vorbelastete Baumaterial ausgespült wird, während andere Baumaterialien in Benutzung sind. Dies kann bevorzugt automatisch, z.B. von der Maschinensteuerung gesteuert ablaufen.
In einem Ausführungsbeispiel in 8a ist ein Flussdiagramm 800 dargestellt. Einer Maschine 806, z.B. einer Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, einer Produktionsmaschine oder einer 3D-Druck-Maschine werden dort von einer Datenaufbereitung 804 in einem Schritt 808 Daten, z.B. bzgl. des Baumaterialvolumens, der Baumaterialtemperatur und/oder der Bauzeit pro Bauabschnitt zur Verfügung gestellt. Prinzipiell können auch andere Daten, z.B. CAD-, Geometrie-, Maschinen-, Peripheriegeräte-, Temperatur-, Baumaterialanzahl-, Baumaterialtemperatur- oder Baumaterialdaten bereitgestellt werden. In 8a werden die Daten als Maschinenanweisungen 820 an die Maschine 806 übertragen.
In 8b ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Flussdiagramm 802 abgebildet. Die Maschine 806 startet in einem Schritt 810 die Herstellung des Bauteils, beispielsweise mit den in 8a zur Verfügung gestellten Daten 808 und/oder Maschinenanweisungen 820. In einem Schritt 812 erfolgt ein Dosieren des Baumaterials anhand der Daten bzgl. des Baumaterialvolumens pro Bauabschnitt. In einem Schritt 814 wird das Baumaterial entsprechend abgelegt, um das Bauteil zu fertigen. Bevorzugt erfolgt während der Herstellung des Bauteils in einem Schritt 816 eine Überwachung der real vorliegenden Bauzeiten T_x, n, real pro Bauabschnitt der einzelnen Baumaterialien mit den berechneten Bauzeiten pro Bauabschnitt und/oder des Prozessdrucks p. Dies kann beispielsweise die real vorliegende Bauzeit pro Bauabschnitt mit der berechneten Bauzeit pro Bauabschnitt vergleicht und/oder überwacht werden. Liegt eine Degradation bzw. thermische Vorbelastung des Materials vor, ändern sich die Fließeigenschaften und es kommt zu Abweichungen bzw. Schwankungen z.B. im Prozessdruck.
Ergibt sich keine wesentliche Abweichung, also entsprechen z.B. die real vorliegenden Bauzeiten im Wesentlichen den berechneten Bauzeiten und ist der Prozessdruck konstant, wird die Fertigung in einem Schritt 818 fertiggestellt.
Ergibt sich jedoch eine Abweichung, beispielsweise durch unterschiedliche reale Bauzeiten oder ein nicht konstanter Prozessdruck, sind in 8b verschiedene Möglichkeiten je nach vorliegender Ausrüstung der Maschine vorgesehen. In einem Schritt 822 wird bei einer Überschreitung wenigstens einer resultierenden Verweilzeit t_x über die entsprechende kritische Verweilzeit T_x_max eines Baumaterials und/oder bei einer Änderung der Fließeigenschaften eines Baumaterials die resultierende Verweilzeit t_x reduziert, indem neues Baumaterial bereitgestellt und/oder aufbereitet wird.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das entsprechende Baumaterial vor der Bereitstellung und/oder Aufbereitung des neuen Baumaterials ausgetragen.
Liegt z.B. eine Spülstation vor, kann in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wenigstens ein Spülvorgang initiiert werden, sodass degradiertes bzw. thermisch vorbelastetes Baumaterial ausgespült werden kann.
Liegt keine Spülstation vor, kann in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Spülvorgang manuell durchgeführt werden oder es können beispielsweise die Maschinenanweisungen 820 bearbeitet werden und das bereitgestellte Baumaterial z.B. in einem Zusatzelement 210, z.B. als eine Stützgeometrie implementiert ausgetragen werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Maschinensteuerung für eine Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, insbesondere für eine 3D-Druck-Maschine offenbart, welche eingerichtet, ausgeführt und/oder konstruiert ist, um wenigstens eines der vorher beschriebenen Verfahren unter Erreichung der genannten Vorteile auszuführen.
Eine Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, insbesondere eine 3D-Druck-Maschine ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel offenbart, welche eingerichtet, ausgeführt und/oder konstruiert ist, um wenigstens eines der vorher beschriebenen Verfahren unter Erreichung der genannten Vorteile auszuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bildet ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung wenigstens eines der zuvor beschriebenen Verfahren unter Erreichung der genannten Vorteile.
Bezugszeichenliste

100: Flussdiagramm
102: Datenaufbereitung
104: Daten
106: Schritt
108: Schritt
110: Schritt
112: Schritt
114: Schritt
116: Schritt
118: Schritt
119: Schritt
200: Bauteil
202: weiteres Bauteil (inverses Bauteil)
204: Schicht
206: Baumaterial (S)
208: Baumaterial (A)
210: Zusatzelement
300: Bauteil
302: weiteres Bauteil (inverses Bauteil)
310: Baumaterial (B)
400: Bauteil
402: weiteres Bauteil (inverses Bauteil)
412: Baumaterial (C)
500: Bauteil
502: Bauteil
600: Bauteil
610: Zeitpunkt
612: Zeitpunkt
614: Zeitpunkt
700: Bauteil
702: Bauteil
710: Zeitpunkt
712: Zeitpunkt
714: Zeitpunkt
800: Flussdiagramm
802: Flussdiagramm
804: Datenaufbereitung
806: Maschine
808: Schritt
810: Schritt
812: Schritt
814: Schritt
816: Schritt
818: Schritt
820: Maschinenanweisungen
822: Schritt
824: Schritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1886793 B1 [0004]
DE 102013004845 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils, aufweisend wenigstens zwei Baumaterialen mit je einer kritischen Verweilzeit T_x_max, umfassend die Schritte: - Bereitstellung von Daten zur Herstellung des Bauteils, - Zerlegen des Bauteils in wenigstens einen Bauabschnitt mit entsprechenden Bauabschnittinformationen, - Ableiten wenigstens eines Baumaterialvolumens und wenigstens einer mittleren Austragsrate pro Bauabschnitt aus den Bauabschnittinformationen, - Berechnen wenigstens einer Bauzeit pro Bauabschnitt und wenigstens einer resultierenden Verweilzeit t_x_je Baumaterial aus dem Baumaterialvolumen und der Austragsrate, - Abgleichen der resultierenden Verweilzeiten t_x mit den jeweiligen kritischen Verweilzeiten T_x_max der entsprechenden Baumaterialien, - Vornehmen wenigstens einer Anpassung der Daten, sodass die jeweiligen resultierenden Verweilzeiten t_x unter den jeweiligen kritischen Verweilzeiten T_x_max der entsprechenden Baumaterialien liegen, wenn wenigstens eine resultierende Verweilzeit t_x die jeweilige kritische Verweilzeit T_x_max des entsprechenden Baumaterials überschreitet, - Verwenden der Daten zur Herstellung des Bauteils.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung so erfolgt, dass wenigstens ein Bauabschnitt und/oder die entsprechenden Bauabschnittinformationen geändert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung so erfolgt, dass wenigstens eine resultierende Verweilzeit t_x geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierende Verweilzeit t_x dadurch geändert, vorzugsweise verkleinert wird, dass wenigstens ein Zusatzelement hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzelement wenigstens ein weiteres Bauteil ist, das wenigstens teilweise invers zu dem Bauteil ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Baumaterialablage in wenigstens einem Bauabschnitt zuerst an dem Zusatzelement erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzelement in dem Bauteil implementiert wird und/oder nach der Herstellung des Bauteils das Zusatzelement entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung so erfolgt, dass wenigstens eine kritische Verweilzeit T_x_max geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kritische Verweilzeit T_x_max dadurch geändert, vorzugsweise vergrößert wird, dass die Temperatur wenigstens eines Baumaterials für wenigstens eine bestimmte Zeitspanne geändert, vorzugsweise verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Anpassungen miteinander kombiniert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellung des Bauteils wenigstens eine Überwachung der resultierenden Verweilzeiten t_x und/oder der Fließeigenschaften der Baumaterialien durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überschreitung wenigstens einer resultierenden Verweilzeit t_x über die entsprechende kritische Verweilzeit T_x_max eines Baumaterials und/oder bei einer Änderung der Fließeigenschaften wenigstens eines Baumaterials das entsprechende Baumaterial ausgetragen wird und/oder neues Baumaterial bereitgestellt und/oder aufbereitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Überschreitung wenigstens einer resultierenden Verweilzeit t_x über die entsprechende kritische Verweilzeit T_x_max eines Baumaterials und/oder bei einer Änderung der Fließeigenschaften wenigstens ein Spülvorgang initiiert wird.
Maschinensteuerung für eine Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, insbesondere für eine 3D-Druck-Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinensteuerung eingerichtet, ausgeführt und/oder konstruiert ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, insbesondere eine 3D-Druck-Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druck-Maschine eingerichtet, ausgeführt und/oder konstruiert ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen.
Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.