DE102021133766A1 - 3D printing process of a rotor with imbalance compensation - Google Patents
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Abstract
Bei einem 3D-Druckverfahren zur Herstellung eines Rotors ist eine 3D-Druckvorrichtung und einem statische Waage vorgesehen, wobei ein Arbeitsbereich der 3D-Druckvorrichtung für den Druck des Rotors auf einer Grundplatte der Waage angeordnet ist, so dass der Arbeitsbereich den hergestellten Rotor mit vertikal ausgerichteter Drehachse aufnehmen kann und ein Druckkopf der 3D-Druckvorrichtung derart ausgerichtet ist, dass der entstehende Rotor sich im Wesentlichen in einer zentrischen Lage zu einem Bezugspunkt der Waage befindet, bei dem nach dem Aufbringen einer Schicht des Rotors durch die Druckvorrichtung die Schicht gewogen, deren Masse und die Lage des Schwerpunkts der Schicht in Bezug auf den Bezugspunkt der Waage erfasst und an eine Auswerteeinheit übermittelt wird, die mit der Druckvorrichtung und der Waage datenaustauschend verbunden ist, bei dem die Auswerteeinheit aus den von der Waage erhaltenen Daten eine Unwucht der Schicht bestimmt, bei dem die Auswerteeinheit aus der Unwucht einen Ausgleichsbetrag und Ausgleichsort ermittelt und diese an die Druckvorrichtung übermittelt, bei dem die Druckvorrichtung beim Druck der nachfolgenden Schicht die Unwucht durch Hinzufügen oder Entfernung von Masse berücksichtigt.In a 3D printing method for manufacturing a rotor, a 3D printing device and a static scale are provided, with a working area of the 3D printing device for printing the rotor being arranged on a base plate of the scale, so that the working area allows the manufactured rotor to be positioned vertically axis of rotation and a print head of the 3D printing device is aligned in such a way that the resulting rotor is essentially in a central position to a reference point of the scales, at which after the application of a layer of the rotor by the printing device, the layer is weighed whose mass and the position of the center of gravity of the layer in relation to the reference point of the scales is recorded and transmitted to an evaluation unit which is connected to the printing device and the scales for data exchange, in which the evaluation unit determines an imbalance of the layer from the data received from the scales, in which the evaluation unit determines a compensation amount and compensation location from the imbalance and transmits this to the printing device, in which the printing device takes into account the imbalance by adding or removing mass when printing the subsequent layer.
Description
Die Erfindung betrifft ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein 3D-Drucker auf einer statischen Waage angeordnet ist und während dem Druck eines Rotors eine Unwucht einer gedruckten Schicht gemessen wird.The invention relates to a 3D printing method in which a 3D printer is arranged on a static scale and an imbalance in a printed layer is measured while a rotor is being printed.
Rapid-Prototyping-Verfahren sind allgemein bekannt und wenden bekannte Schichtfertigungstechniken an, bei denen ein Gegenstand (z. B. eine Metallgussform, ein Prototypteil usw.) fortschreitend in einer Reihe von Schichten hergestellt wird, die nacheinander übereinander aufgebaut werden.Rapid prototyping methods are well known and employ known layering techniques in which an object (e.g., a metal mold, prototype part, etc.) is progressively fabricated in a series of layers that are sequentially built on top of each other.
Bei herkömmlichen 3D-Druck-Vorrichtungen wird beispielsweise mittels eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls punktförmig ein pulverförmig zugeführtes Ausgangsmaterial mit einer derartigen Energiemenge beaufschlagt, dass ein Prozess, wie beispielsweise ein Aufschmelzen oder Sintern des Ausgangsmaterials, an dem beaufschlagen Ort initiiert wird, wobei dieser Prozess zu einer Verbindung der Körner des Ausgangsmaterials führt. Durch rasterartiges Scannen des Laserstrahls oder des Elektronenstrahls über den Arbeitsbereich wird dadurch schichtweise das herzustellende Produkt erzeugt. Ein Beispiel für einer derartige Verwendung eines Elektronenstrahls findet sich in der
In der
Ferner geht aus der
Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung der statischen Unwucht sind u. a. aus
Moderne Waagen sind in der Regel mit einem elektronischen Steuergerät in Form eines Mikroprozessors ausgerüstet; es können somit schon in der Messwaage selbst Korrekturen von Fehlern durch z. B. Temperatur, Mechanik, elektrische Bauelemente vorgenommen und Messwerte ausgegeben werden, die eine leichtere Weiterverarbeitung zulassen. Derartige Waagen liefern deshalb in der Regel als Ausgangswerte schon die Gesamtmasse, die Koordinaten des Schwerpunktes und andere vom Benutzer geforderte Daten, die dann in der Auswerteeinrichtung Grundlage weiterer Berechnungen sind.Modern scales are usually equipped with an electronic control unit in the form of a microprocessor; it can thus already be corrected in the measuring scale itself of errors caused by e.g. B. temperature, mechanics, electrical components are made and output measured values that allow easier further processing. As a rule, such scales therefore supply the total mass, the coordinates of the center of gravity and other data required by the user as initial values, which are then the basis for further calculations in the evaluation device.
Problematisch bei den bekannten Herstellungsverfahren ist, dass die hierdurch hergestellten Gegenstände im Nachgang einer Unwuchtmessung ausgesetzt werden müssen, damit etwaige Unwuchten der Gegenstände feststellbar sind. Die gemessene Unwucht muss dann in einem nachfolgenden Prozessschritt ausgeglichen werden. Hierdurch entfällt einer der Vorteile der 3D-Druckverfahren, nämlich eine schnelle und einfache Herstellung.The problem with the known production methods is that the objects produced in this way subsequently have to be subjected to an imbalance measurement so that any imbalances in the objects can be detected. The measured imbalance must then be compensated for in a subsequent process step. This eliminates one of the advantages of 3D printing, namely quick and easy production.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren bereitzustellen, bei dem eine etwaige Unwucht des hergestellten Körpers während der Herstellung berücksichtigt werden kann.The invention is based on the object of providing a production method in which any imbalance in the body produced can be taken into account during production.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.The object is solved by the features of claim 1. Preferred configurations are described in the dependent claims.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein 3D-Druckverfahren zur Herstellung eines Rotors bereitgestellt wird, mit einer 3D-Druckvorrichtung und einer statischen Waage, wobei ein Arbeitsbereich der 3D-Druckvorrichtung für den Druck des Rotors auf einer Grundplatte der Waage angeordnet ist, so dass der Arbeitsbereich den hergestellten Rotor mit vertikal ausgerichteter Drehachse aufnehmen kann und ein Druckkopf der 3D-Druckvorrichtung derart ausgerichtet ist, dass der entstehende Rotor sich im Wesentlichen in einer zentrischen Lage zu einem Bezugspunkt, insbesondere der Achsmittelpunkt der Waage befindet, bei dem nach dem Aufbringen einer Schicht des Rotors durch die Druckvorrichtung die Schicht gewogen, deren Masse und die Lage des Schwerpunkts der Schicht in Bezug auf den Bezugspunkt der Waage erfasst und an eine Auswerteeinheit übermittelt wird, die mit der Druckvorrichtung und der Waage datenaustauschend verbunden ist, bei dem die Auswerteeinheit aus den von der Waage erhaltenen Daten eine Unwucht der Schicht bestimmt, bei dem die Auswerteeinheit aus der Unwucht einen Ausgleichsbetrag und Ausgleichsort ermittelt und diese an die Druckvorrichtung übermittelt, bei dem die Druckvorrichtung beim Druck der nachfolgenden Schicht die Unwucht durch Hinzufügen oder Entfernung von Masse berücksichtigt.The object is achieved according to the invention in that a 3D printing method for producing a rotor is provided, with a 3D printing device and a static scale, with a working area of the 3D printing device for printing the rotor being arranged on a base plate of the scale, so that the work area can accommodate the manufactured rotor with a vertically aligned axis of rotation and a print head of the 3D printing device is aligned in such a way that the resulting rotor is essentially in a central position to a reference point, in particular the center of the axis of the scales, at which after application of a layer of the rotor is weighed by the pressure device, the weight of which and the position of the center of gravity of the layer in relation to the reference point of the scales are recorded and transmitted to an evaluation unit which is connected to the pressure device and the scales for data exchange, in which the evaluation unit determined from the data received from the scales an imbalance of the layer, in which the evaluation unit from the imbalance an off Equal amount and compensation location determined and transmitted to the printing device, in which the printing device takes into account the imbalance by adding or removing mass when printing the subsequent layer.
Die Berechnung der Unwucht bzw. des Ausgleichsbetrags und des Ausgleichsorts kann mit den dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt werden, wobei dies vorzugsweise durch ein entsprechendes Programm der Auswerteeinheit ausgeführt wird. Die geometrischen Daten des herzustellenden Rotors liegen der Auswerteeinheit vor. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Berücksichtigung einer Unwucht pro Schicht und deren im Wesentlichen sofortigen Ausgleich, sodass der hergestellte Rotor nach Fertigstellung im Wesentlichen keine Unwucht mehr aufweist. Zumal auf diese Weise eine genaue Unwuchtbestimmung erreicht wird. Es kann jedoch vorteilhaft sein, wenn nach Fertigstellung einer Serie von Rotoren stichprobenartig eine Unwuchtmessung durchgeführt wird.The calculation of the imbalance or the compensation amount and the compensation location can be carried out using the methods known to those skilled in the art, with this preferably being carried out by a corresponding program in the evaluation unit. The evaluation unit has the geometric data of the rotor to be manufactured. The method according to the invention makes it possible to take into account an imbalance per layer and to compensate for it essentially immediately, so that the rotor produced has essentially no imbalance any more after completion. Especially since an exact imbalance determination is achieved in this way. However, it can be advantageous if, after completion of a series of rotors, an imbalance measurement is carried out on a random basis.
Die Auswerteeinheit kann ein Tablet oder ein Computer mit entsprechend angeschlossener Hardware und Software sein und mit der Druckvorrichtung bzw. der Waage über kabelfreie oder kabelgebundene Mittel datenaustauschend verbunden sein.The evaluation unit can be a tablet or a computer with appropriately connected hardware and software and can be connected to the printing device or scales via wireless or wired means for data exchange.
Es ist bevorzugt, dass nach Aufbringen jeder Schicht des Rotors durch die Druckvorrichtung beim Druck der nachfolgenden Schicht die Unwucht durch Hinzufügen oder Entfernung von Masse berücksichtigt wird. Gemäß dieser Ausgestaltung wird nach dem Aufbringen jeder Schicht eine Unwucht der jeweils aufgebrachten Schicht ermittelt und in der nachfolgenden Schicht ausgeglichen. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, dass nach Aufbringen einer Schicht, insbesondere einer zuvor definierten Kontrollschicht des Rotors durch die Druckvorrichtung die bisher aufgebrachten Schichten gewogen, deren Masse und die Lage des Schwerpunkts der Schichten in Bezug auf den Bezugspunkt der Waage erfasst und an eine Auswerteeinheit übermittelt wird, wobei die Auswerteeinheit aus den von der Waage erhaltenen Daten eine Unwucht der bisherigen Schichten bestimmt, einen Ausgleichsbetrag und Ausgleichsort ermittelt und diese an die Druckvorrichtung übermittelt, bei dem die Druckvorrichtung beim Druck der nachfolgenden Schicht die Unwucht durch Hinzufügen oder Entfernung von Masse berücksichtigt. Bei dieser Ausgestaltung wird in Abhängigkeit des herzustellenden Rotors eine Kontrollschicht definiert, deren Unwucht bestimmt und in der nachfolgenden Schicht oder den nachfolgenden Schichten ausgeglichen wird. Dies hat den Vorteil, dass die Herstellung des Rotors weniger Zeit in Anspruch nimmt, da die Unwucht nur vereinzelt bestimmt und ausgeglichen wird. Des Weiteren kann vorteilhaft sein, dass bei der auszugleichenden nachfolgenden Schicht Ausgleichsflächen als Hohlräume, insbesondere für einen späteren Ausgleich vorgesehen sind. Derartige Hohlräume können auch als Bohrungen nutzbar sein.It is preferred that after the printing device has applied each layer of the rotor, the imbalance is taken into account by adding or removing mass when printing the subsequent layer. According to this embodiment, after each layer has been applied, an imbalance in the respectively applied layer is determined and compensated for in the subsequent layer. However, it can also be advantageous that after a layer has been applied, in particular a previously defined control layer of the rotor, the printing device weighs the previously applied layers, records their mass and the position of the center of gravity of the layers in relation to the reference point of the scales and transmits them to an evaluation unit is transmitted, with the evaluation unit determining an imbalance in the previous layers from the data received from the scales, determining a compensation amount and compensation location and transmitting this to the printing device, in which the printing device takes the imbalance into account by adding or removing mass when printing the subsequent layer . In this embodiment, depending on the rotor to be produced, a control layer is defined, the imbalance of which is determined and compensated for in the subsequent layer or layers. This has the advantage that the manufacture of the rotor takes less time, since the imbalance is only determined and compensated for individually. Furthermore, it can be advantageous that in the subsequent layer to be compensated for, compensation surfaces are provided as cavities, in particular for later compensation. Such cavities can also be used as bores.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird wenigstens eine Oberflächenstruktur, wie insbesondere eine Schaufel, eine Nut oder eine sonstige Struktur auf dem Rotor ausgebildet.In a preferred embodiment, at least one surface structure, such as in particular a blade, a groove or some other structure is formed on the rotor.
Es kann bevorzugt sein, dass der herzustellende Rotor Zentrierflächen aufweist, deren Lage in Bezug auf den Bezugspunkt der Waage mittels wenigstens zwei in definiertem Winkelabstand voneinander angeordneten elektrischen Wegsensoren gemessen und die erhaltenen Messdaten der Auswerteeinheit zugeführt werden, die eine Exzentrizität der Zentrierfläche zum Bezugspunkt der Waage errechnet. Hierdurch kann auf eine genaue, zentrische Positionierung des herzustellenden Rotors auf den Bezugspunkt der Waage verzichtet und eine ungenaue Positionierung des Druckkopfs in Kauf genommen werden. Mittels Wegsensoren kann die genaue Position mindestens einer Zentrierfläche gemessen und die vorhandene Exzentrizität der Zentrierflächenmitte zum Bezugspunkt der Waage bei der Unwuchtbestimmung berücksichtigt und kompensiert werden. Auf diese Weise wird eine genaue Unwuchtbestimmung mit hoher Wiederholgenauigkeit erreicht.It can be preferred that the rotor to be produced has centering surfaces, the position of which in relation to the reference point of the scales is measured by means of at least two electrical displacement sensors arranged at a defined angular distance from one another, and the measurement data obtained are fed to the evaluation unit, which calculates an eccentricity of the centering surface with respect to the reference point of the scales calculated. As a result, an exact, centric positioning of the rotor to be produced on the reference point of the balance can be dispensed with and an imprecise positioning of the print head can be accepted. The exact position of at least one centering surface can be measured by means of displacement sensors and the existing eccentricity of the centering surface center to the reference point of the scales can be taken into account and compensated for when determining the imbalance. In this way, an accurate unbalance determination with high repeatability is achieved.
Die Wegsensoren können mithilfe eines Kalibrierkörpers kalibriert werden, indem die Lage eines auf die Grundplatte aufgelegten, rotationssymmetrischen Kalibrierkörpers von den Wegsensoren gemessen und der Mittelpunkt des Kalibrierkörpers als Ursprung eines den Wegsensoren zugeordneten Sensorkoordinatensystems bestimmt wird. Anschließend wird durch Wiegen des Kalibrierkörpers mittels der Waage ein Vektor ermittelt, der die Exzentrizität des Sensorkoordinatensystems zu einem Waagenkoordinatensystem beschreibt, dessen Ursprung im Bezugspunkt der Waage liegt. Dieses Kalibrierverfahren ist einfach und schnell durchführbar und gewährleistet eine genaue Kalibrierung der Waage. Als Wegsensoren können beispielsweise berührungslos messende Sensoren oder Sensoren mit bewegbaren Tastelementen verwendet werden.The displacement sensors can be calibrated using a calibration body in that the position of a rotationally symmetrical calibration body placed on the base plate is measured by the displacement sensors and the center point of the calibration body is determined as the origin of a sensor coordinate system assigned to the displacement sensors. A vector is then determined by weighing the calibration body using the scales, which describes the eccentricity of the sensor coordinate system in relation to a scales coordinate system, the origin of which is at the reference point of the scales. This calibration procedure is quick and easy to perform and ensures accurate calibration of the scale. For example, non-contact measuring sensors or sensors with movable feeler elements can be used as displacement sensors.
Zur Bestimmung der Unwucht kann in einer Ausgestaltung aus der Unwuchtmessung einer jeden einzelnen Scheibe und deren axialen Position im Rotor durch Anwendung von Hebelgesetzen die Gesamtunwucht des Rotors in zwei beliebig vorbestimmten Bezugsebenen berechnet werden. Alternativ kann in einer weiteren Ausgestaltung die komplementäre Unwuchtangabe in zwei Ebenen auch als statische Unwucht und Momentenunwucht ausgedrückt werden.In order to determine the imbalance, in one embodiment the total imbalance of the rotor can be calculated in two arbitrarily predetermined reference planes from the imbalance measurement of each individual disk and its axial position in the rotor by applying the laws of leverage. Alternatively, in a further refinement, the complementary imbalance information can also be expressed in two planes as static imbalance and torque imbalance.
Um die individuelle Position der Drehachse des zu druckenden Rotors auf der Waage mit dem Ursprung des Waagenkoordinationssystems zu justieren und hierdurch eine verbesserte Unwuchtmessung durchführen zu können, kann zur Justierung der Drehachse des herzustellenden Rotors zum Bezugspunkt der Waage vor Druck des Rotors auf die Grundplatte ein Kalibriermodell des herzustellenden Rotors mit bekannter Massenverteilung und bekanntem Schwerpunkt gedruckt werden, dessen Unwucht von der Waage bestimmt wird, wobei ein vektorieller Versatz errechnet und hieraus die Abweichung der Symmetrieachse des Kalibriermodells zu einem Ursprung des Koordinatensystems der Waage bestimmt wird. Dies kann beispielsweise durch den Druck von Punkten mit bekannten Abstand und Unwucht erfolgen. Weitere Ausgestaltungen sind möglich. Hierdurch lässt sich in einfacher Weise die Justage des 3D-Druckers automatisch mit dem Koordinatensystem der Waage herstellen. Der Achsmittelpunkt des Rotors muss dann nicht mehr präzise auf dem Achsmittelpunkt des Waagenkoordinationssystems liegen. Das Kalibriermodell kann im Sinne der Erfindung auch als Kalibrierkörper bezeichnet werden.In order to adjust the individual position of the axis of rotation of the rotor to be printed on the balance with the origin of the balance coordination system and thus be able to carry out an improved imbalance measurement, a calibration model can be used to adjust the axis of rotation of the rotor to be produced to the reference point of the balance before the rotor is printed on the base plate of the rotor to be produced with known mass distribution and known center of gravity are printed, the imbalance of which is determined by the balance, with a vector offset being calculated and the deviation of the axis of symmetry of the calibration model from an origin of the coordinate system of the balance being determined from this. This can be done, for example, by printing dots with a known distance and imbalance. Further configurations are possible. This makes it easy to automatically adjust the 3D printer using the coordinate system of the scale. The center of the axis of the rotor then no longer has to lie precisely on the center of the axis of the balance coordination system. Within the meaning of the invention, the calibration model can also be referred to as a calibration body.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise die Verwendung verschiedener Materialien wie beispielsweise Kunststoff, Metall oder einer Kombination hieraus. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn eine Materialmischung aus einem Material einer ersten Festigkeit und wenigstens einem Material mit einer gegenüber der ersten Festigkeit höheren Festigkeit als Material für den 3D-Druck eingesetzt wird. Die Materialien sowie deren Festigkeit kann vorteilhafterweise je nach Anwendungsfall variiert werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn ein Materialübergang von dem Material der ersten Festigkeit zu wenigstens dem Material mit der gegenüber der ersten Festigkeit höheren Festigkeit in axialer und/oder radialer Richtung des Rotors erzeugt wird.The method according to the invention advantageously enables the use of different materials such as plastic, metal or a combination thereof. In particular, it is advantageous if a material mixture of a material with a first strength and at least one material with a higher strength than the first strength is used as the material for 3D printing. The materials and their strength can advantageously be varied depending on the application. It is advantageous here if a material transition from the material of the first strength to at least the material with the higher strength than the first strength is produced in the axial and/or radial direction of the rotor.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein System zur Durchführung des Verfahrens, mit einer 3D-Druckvorrichtung, einer eine Grundplatte aufweisenden statischen Waage, unter der Grundplatte angeordneten Messsensoren und eine sowohl mit der statischen Waage als auch der 3D-Druckvorrichtung datenaustauschend verbunden Auswerteeinheit, wobei ein Arbeitsbereich der 3D-Druckvorrichtung für den Druck des Rotors auf der Grundplatte der Waage angeordnet ist und ein Druckkopf der 3D-Druckvorrichtung derart ausgerichtet ist, dass der entstehende Rotor sich im Wesentlichen in einer zentrischen Lage zu einem Bezugspunkt der Waage befindet. Die zuvor erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen des Verfahrens sind analog auf das System anwendbar. Die Waage hat insbesondere eine Grundplatte, die die Form einer ebenen Kreisscheibe aufweist und wenigstens zwei Freiheitsgrade besitzt. Die Grundplatte ist in vertikaler Richtung an mehreren, insbesondere drei als vorteilhafterweise Kraftsensoren ausgestalteten Messsensoren abgestützt, die sich unter der Grundplatte befinden und analoge oder digitale elektrische Messsignale abgeben. Die Messsignale können kabelgebunden oder kabelfrei an die Auswerteeinheit übermittelt werden. Zudem können Wegsensoren vorgesehen sein, die beispielsweise strahlenförmig um die Grundplatte angeordnet sind.The invention also relates to a system for carrying out the method, with a 3D printing device, a static scale having a base plate, measuring sensors arranged under the base plate and an evaluation unit connected to both the static scale and the 3D printing device for data exchange, with a working area of the 3D printing device for printing the rotor is arranged on the base plate of the scale and a print head of the 3D printing device is aligned in such a way that the resulting rotor is essentially in a central position to a reference point of the scale. The advantages and configurations of the method explained above can be applied analogously to the system. In particular, the balance has a base plate which has the shape of a flat circular disc and has at least two degrees of freedom. The base plate is supported in the vertical direction on several, in particular three, measurement sensors, which are advantageously designed as force sensors and are located under the base plate and emit analog or digital electrical measurement signals. The measurement signals can be transmitted to the evaluation unit with or without a cable. In addition, displacement sensors can be provided, which are arranged, for example, radially around the base plate.
Die 3D-Druckvorrichtung umfasst neben dem eigentlichen 3D-Drucker ein Gestänge, dass beispielsweise auf dem Fundament der statischen Waage angeordnet oder mit diesem reversibel verbunden sein kann.In addition to the actual 3D printer, the 3D printing device includes a linkage that can be arranged, for example, on the foundation of the static scales or can be reversibly connected to it.
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