DE102021133946A1

DE102021133946A1 - Verfahren zum Einebnen einer Oberfläche

Info

Publication number: DE102021133946A1
Application number: DE102021133946.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Möller
Original assignee: Arburg GmbH and Co KG
Current assignee: Arburg GmbH and Co KG
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Das Verfahren dient zum Einebnen mindestens einer Unebenheit einer Oberfläche (100), die sich in einem dreidimensionalen Bauraum (30) in einer x-y-Ebene erstreckt, wobei die Oberfläche (100) eine uneinheitliche Erstreckung in z-Richtung aufweist. Im Bauraum (30) wird wenigstens ein dreidimensionales Objekt (40) aus verfestigbarem Material aufgebaut, das in einer fluiden Phase vorliegt, wobei ein Volumenstrom des Materials mittels Ausbringen von aufeinanderfolgenden Volumenelementen (50) erzeugt wird. Dabei wird die fluide Phase des Materials unter konstantem Druck aus einer taktbaren Austrittsöffnung (70) an einer ersten oder weiteren x-y-z-Position im dreidimensionalen Bauraum (30) ausgebracht, wobei ein von einem Abstand von der Austrittsöffnung (70) zur Oberfläche (100) abhängiger und von dieser erzeugter Gegendruck auf die auszubringende fluide Phase des Materials einwirkt und den Druck an der Austrittsöffnung (70) reduziert, wobei das Ausbringen des Materials bei einem vorbestimmten Druckwert beendet wird, bei dem zumindest eine Höhe des Volumenelements (50) einem vorbestimmten Abstand entspricht.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen wenigstens eines dreidimensionalen Objekts aus verfestigbarem Material in einem dreidimensionalen Bauraum mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1, eine Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13 sowie ein Computerprogrammprodukt nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
Verfahrensgemäß liegt das Material in einer fluiden Phase vor und ein Volumenstrom des Materials wird mittels Ausbringen von aufeinanderfolgenden Volumenelementen in einer im Wesentlichen vertikal in z-Richtung anordenbaren Schichtung mit zumindest einer sich im Wesentlichen in einer horizontal erstreckenden x-y-Ebene angeordneten Schicht ausgebracht. Das Verfahren wird gleichzeitig zum Einebnen mindestens einer Unebenheit einer im Bauraum sich im Wesentlichen in einer horizontal erstreckenden x-y-Ebene angeordneten Oberfläche mit einer in einer im Wesentlichen in vertikaler z-Richtung uneinheitlichen Erstreckung verwendet. Das Verfahren umfasst die Schritte: Einbringen der fluiden Phase des Materials in einen Materialspeicher, Erzeugen eines konstanten Drucks auf die fluide Phase des Materials im Materialspeicher und Ausbringen der fluiden Phase des Materials aus einer mit dem Materialspeicher verbundenen taktbaren Austrittsöffnung. Die Position der Austrittsöffnung wird schichtabhängig in einer vertikalen z-Richtung an einer ersten oder weiteren x-y-z-Position im dreidimensionalen Bauraum konstant gehalten. Ein von einem Abstand von der Austrittsöffnung zur Oberfläche abhängiger und von dieser erzeugter Gegendruck wirkt auf die auszubringende fluide Phase des Materials ein.
Stand der Technik
In der DE 10 2012 004 988 A1 ist ein Verfahren zur Ausbringung eines Volumenstroms aus aufeinanderfolgenden Tropfen zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes aus verfestigbarem Material beschrieben, das entweder im Ausgangszustand in einer fluiden Phase vorliegt oder in eine fluide Phase verflüssigt werden kann. Das Verfahren umfasst die Schritte: Einbringen der fluiden Phase des Materials in einen Materialspeicher, Erzeugen eines Drucks auf die fluide Phase des Materials im Materialspeicher, tropfenförmiges Ausbringen des Materials aus einer taktbaren Austrittsöffnung zum Aufbau des dreidimensionalen Gegenstandes in einem Bauraum, wobei die fluide Phase des Materials eine Temperatur abhängige Viskosität aufweist. Dabei wird wenigstens einer der Prozessparameter umfassend den Druck im Materialspeicher, eine Taktzeit oder Taktbewegung der Austrittsöffnung oder die Temperatur bei Änderung der Viskosität der fluiden Phase des Materials unter Beibehalten der weiteren Prozessparameter geregelt zum Erhalt einer vorbestimmten Tropfengröße nachgeführt. Das Verfahren benötigt eine Regelung mindestens eines Prozessparameter, um vorbestimmte Tropfengrößen zu erzeugen und zu reproduzieren.
Die WO 2021/020962 A1 beschreibt eine Herstellungsvorrichtung für geschmolzene Filamente, wobei die Vorrichtung umfasst: einen Druckkopf mit einer Schmelzkammer und einer Düse, wobei der Druckkopf relativ zu einer Bauoberfläche in mindestens zwei senkrechten Richtungen beweglich angeordnet ist; eine Zuführeinrichtung, die so angeordnet ist, dass sie dem Druckkopf Filamentmaterial zuführt; einen Sensor, der eingerichtet ist, um direkt oder indirekt einen Druck in der Schmelzkammer zu messen, wobei der Sensor Druckdaten erzeugt. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen Strömungssensor, der eingerichtet ist, um einen Filamentstrom in den Druckkopf zu messen, um daraus Strömungsdaten zu erhalten, sowie eine Steuerung, die eingerichtet ist zum: Steuern der Bewegung der Düse über die Bauoberfläche; Steuern der Ablagerung von geschmolzenem Filamentmaterial auf der Bauoberfläche während der Bewegung der Düse; Empfangen der Druckdaten und der Durchflussdaten; und Bestimmen einer lokalen Höhe der Bauoberfläche für mehrere Stellen auf der Bauoberfläche unter Verwendung der Druckdaten und der Strömungsdaten. Ein entsprechendes Verfahren und ein Computer-Programmprodukt zur Ausführung des Verfahrens ist ebenfalls beschrieben. Die Vorrichtung bzw. das Verfahren dient der Bestimmung von Abständen zwischen der Düse und der Bauoberfläche mittels der Auswertung des Drucks und der Strömung im Druckkopf. Die Abstände werden verwendet, um das durch das Druckverfahren hergestellte Erzeugnis zu verbessern.
Aus der US 10 994 462 B2 ist ein, der Erfindung nächstliegendes, Verfahren zum Planarisieren von Bauoberflächen beim dreidimensionalen Drucken bekannt, wobei das Verfahren umfasst: Initiieren eines Aufbaus unter Verwendung eines dreidimensionalen Druckers, der einen Extruder und wenigstens einen mechanisch mit dem Extruder gekoppelten Sensor umfasst. Dabei ist der wenigstens eine Sensor betreibbar, um eine Kontaktkraft zwischen dem Extruder und einer separaten Struktur zu erfassen, die sich von dem Extruder unterscheidet, sowie zum Messen der Kontaktkraft an mehreren Stellen über eine Bauoberfläche der separaten Struktur. Das Verfahren umfasst außerdem das Identifizieren einer Differenz zwischen der gemessenen Kontaktkraft an mehreren Stellen der Vielzahl von Stellen und das Erzeugen eines Steuersignals zum Anpassen des Aufbaus als Reaktion auf die Differenz zwischen der gemessenen Kontaktkraft an den mehreren Stellen, wobei das Steuersignal konfiguriert ist, um den Unterschied zum Planarisieren der Aufbauoberfläche zu reduzieren. Dabei umfasst das Steuersignal Anweisungen zum Herstellen einer Schicht auf der Bauoberfläche, die Unregelmäßigkeiten in der Bauoberfläche mildert.
Das Verfahren misst in einem ersten Schritt die Kontaktkraft zwischen dem Extruder und der Bauoberfläche, um eine oder mehrere Unebenheiten der Bauoberfläche zu ermitteln, die unterschiedlichen Kraftwerten zuordenbar sind. Dabei unterscheiden sich Vertiefungen in der Bauoberfläche durch eine geringere Kontaktkraft als der Kontaktkraft, die auf der Bauoberfläche gemessen wird. Je tiefer die Unebenheit ist, umso geringer ist die gemessene Kontaktkraft, wohingegen an Stellen der Bauoberfläche, an denen keine Unebenheit vorliegt, eine maximale Kontaktkraft gemessen wird. In einem zweiten Schritt wird die mindestens eine Unebenheit mittels mindestens zwei unterschiedlichen Kraftwerten und der damit verbundenen Regelung des auszubringenden Baumaterials eingeebnet. Zum Einebnen einer Unebenheit der Bauoberfläche ist somit das Erfassen von mindestens zwei Kraftwerten notwendig und das Auffüllen der Unebenheit basiert auf einem geregelten Ausbringungsprozess, bei dem z. B. die Durchflussrate des auszubringenden Baumaterials basierend auf den Kraftwerten geregelt wird. An Stellen, wo die Kontaktkraft nicht direkt gemessen wird, findet zur kontinuierlichen Regelung des Einebnungsprozesses eine Interpolation zwischen den Stellen gemessener Kontaktkräfte statt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren zum Herstellen wenigstens eines dreidimensionalen Objekts aus verfestigbarem Material, Oberflächen in einer einfachen sich selbst regulierenden Art und Weise einzuebnen, wobei die Haftung des Materials an den Oberflächen sowie die Eigenschaften und Struktur des Objekts verbessert werden.
Darstellung der Erfindung
Dies wird mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei handelt es sich um ein Verfahren auf dem Gebiet der Erfindung, bei dem zum Einebnen ein Druck der fluiden Phase des Materials an der Austrittsöffnung detektiert wird, wobei das Ausbringen des Materials bei einem vorbestimmten Wert des detektierten Drucks beendet wird, bei dem eine Höhe des Volumenelements einem Abstand der Austrittsöffnung zur Oberfläche vor dem Ausbringen der fluiden Phase des Materials minus dem Abstand während des Ausbringens der fluiden Phase des Materials entspricht. Das Verfahren wird anschließend durch das weitere Ausbringen der fluiden Phase des Materials an der weiteren von der vorhergehenden unterschiedlichen x-y-z-Position im dreidimensionalen Raum fortgesetzt. Die Fortsetzung des Verfahrens kann dann bis zur Fertigstellung des dreidimensionalen Objekts erfolgen. Als Volumenelemente des verfestigbaren Materials kommen dabei vorzugsweise Tropfen und/oder Stränge, aber auch anders geformte Volumenelemente in Betracht.
Das Verfahren bietet insbesondere den Vorteil Unebenheiten jeglicher Art ohne wesentlichen regelungstechnischen Aufwand einebnen zu können. Dabei sind unter Unebenheiten, neben schiefen Oberflächen auch Abweichungen von Oberflächen, z.B. auch innerhalb des wenigstens einen dreidimensionalen Objekts z.B. beim Baufortschritt, von einem durchschnittlichen Höhenniveau zu verstehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Bevorzugterweise wird in einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens die mindestens eine Unebenheit der Oberfläche eines Objektträgers und / oder mindestens einer ausgebrachten Materialschicht aus verfestigbarem Material vorteilhaft eingeebnet.
In einer weiteren bevorzugten die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden Objekts verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens wird die fluide Phase des Materials in übereinanderliegenden Materialschichten ausgebracht und eine Anzahl von zum vollständigen Einebnen der Oberfläche notwendigen Materialschichten wird entweder automatisch oder von einem Anwender des Verfahrens manuell eingestellt, um vorteilhaft gezielt auf eine ebene Ausbringung der Schichten einzuwirken.
In einer anderen vorteilhaften die Eigenschaften und / oder die Haftung auf dem Objektträger des wenigstens einen herzustellenden Objekts verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens wird die fluide Phase des Materials in übereinanderliegenden Materialschichten ausgebracht und ein Querschnitt der Materialschichten wird entweder automatisch oder von einem Anwender des Verfahrens manuell eingestellt.
In einer zusätzlichen die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden Objekts verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens wird vorzugsweise während des Ausbringens der tropfenförmigen fluiden Phase des Materials das ausgebrachte Volumen des Volumenelements bestimmt und nach Beenden des Ausbringens wird mittels des bestimmten Volumens das Maß der Unebenheit der Oberfläche in einer im Wesentlichen vertikalen z-Position an der x-y-Position des Volumenelements bestimmt. Dadurch können vorteilhaft die Genauigkeit der bisherigen Ausbringung des Materials erfasst und dadurch auch Rückschlüsse für die weitere Ausbringung gewonnen werden.
In einer nächsten die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden Objekts vorzugsweise verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens wird mittels der einzeln bestimmten Maße der Unebenheiten der Oberfläche vorteilhaft eine topographische Karte der Oberfläche bestimmt. Aus dieser Karte lassen sich auch Rückschlüsse für die Eigenschaften des fertigen Objekts folgern.
In einer bevorzugten die Eigenschaften des herzustellenden wenigstens einen Objekts verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens kann mittels der einzeln bestimmten Maße der Unebenheiten der Oberfläche vorteilhaft eine Schieflage eines x-y-Achssystems der Oberfläche bestimmt werden.
Vorzugsweise wird in einer anderen die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden Objekts verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens mittels der bestimmten Schieflage des x-y-Achssystems der Oberfläche vorteilhaft ein optimaler Abstand zwischen der Austrittsöffnung und der Oberfläche bestimmt.
In einer zusätzlichen bevorzugten die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden Objekts verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens weist die fluide Phase des Materials eine Temperatur abhängige Viskosität auf und die Temperatur wird bei Änderung der Viskosität der fluiden Phase des Materials unter Beibehalten des konstanten Drucks im Materialspeicher vorteilhaft geregelt nachgeführt.
In einer nächsten bevorzugten die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden Objekts verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens wird unter Konstanthaltung des Drucks an der Austrittsöffnung mindestens ein Prozessparameter, umfassend eine Taktzeit oder Taktbewegung der Austrittsöffnung oder die Temperatur der fluiden Phase des Materials, vorteilhaft unter Beibehalten der weiteren Prozessparameter geregelt zum Erhalt einer vorbestimmten Größe eines Volumenelements nachgeführt.
In einer weiteren die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden Objekts verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens wird vorteilhaft zur Änderung einer Dichte der fluiden Phase des Materials der konstante Wert des Drucks im Materialspeicher auf einen anderen konstanten Wert und / oder die Temperatur geändert.
In einer anderen bevorzugten die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden Objekts verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens wird mindestens eine weitere Materialschicht vorteilhaft über mindestens einer Materialschicht mit zumindest teilweise darin eingebetteten Elementen und / oder Fasern eingeebnet, so dass derartige „Fremdkörper“ problemlos eingebracht werden können.
Auch wird die Aufgabe durch eine Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, insbesondere eine 3D-Druck-Maschine gelöst. Für eine vorteilhafte die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden dreidimensionalen Objekts verbessernde Ausgestaltung 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 der Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden dreidimensionalen Objekts verbessernden Ausgestaltung ist das Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode auf einem Computer lesbaren Medium gespeichert zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens.
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.
Die Erfindung wird nun anhand eines in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung wesentlicher Teile einer Vorrichtung,
2 einen schematisch vereinfachten Verlauf des Drucks im in fluider Phase vorliegenden Material an der Austrittsöffnung,
3 ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung der wesentlichen Schritte des Einebnungsprozesses,
4a-c eine schematische Darstellung des Ausbringprozesses des Materials in fluider Phase,
5 eine schematische Darstellung des Ausgleichs einer schiefen Oberfläche,
6 eine schematische Darstellung des Einebnungsprozesses,
7 eine schematische Darstellung des Einebnungsprozesses bei zusätzlich eingebetteten Elementen.

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 eine schematische Darstellung wesentlicher Teile einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Darin zu sehen ist insbesondere ein dreidimensionaler Bauraum 30 mit einem darin angeordneten Objektträger 10, auf dem wenigstens ein dreidimensionales Objekt 40 mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt werden kann. Beim erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um die Ausbringung eines verfestigbaren Materials, das in einer fluiden Phase in einem Materialspeicher 60 unter einem konstanten Druck p_k stehend vorliegt. Ausgebracht werden damit Volumenelemente, die je nach Bedarf tropfenförmig, strangförmig oder auch anders geformt sein können.
In guter Näherung kann von weitestgehend gleichbleibenden Verhältnissen innerhalb des Materials in fluider Phase in Bezug auf dessen temperaturabhängige Viskosität ausgegangen werden, da die für die Herstellung vorgesehenen Bauräume üblicherweise mit einer für die Herstellung optimalen Temperatur betrieben werden. Ebenso liegt das Material, das im Materialspeicher 60 für die Herstellung vorgehalten wird, in einer gleichmäßig aufbereiteten fluiden Phase vor, in der es der Vorrichtung zugeführt wird, oder es wird vor dessen Einspeicherung in den Materialspeicher von der Vorrichtung aus einer festen Form in die gleichmäßig aufbereitete fluide Phase überführt. Dies erfolgt vorzugweise in einer zeichnerisch nicht dargestellten Plastifiziereinheit, in der das Material gemischt und homogenisiert wird.
Der Materialspeicher weist an seiner dem Bauraum zugewandten Seite eine taktbare Austrittsöffnung 70 auf, üblicherweise eine Düse, die ggf. zusätzlich beheizbar ist. Die Taktbarkeit wird mittels eines Verschlusses realisiert, der getaktet von einem offenen in einen geschlossenen Zustand und umgekehrt überführt werden kann. Dadurch kann das unter dem konstanten Druck p_k stehende Material in fluider Phase mit einer, aufgrund des konstanten Drucks p_k und bei unbehinderter Ausflussmöglichkeit, konstanten Durchflussrate aus der Austrittsöffnung 70 ausgebracht werden.
2 zeigt einen schematisch vereinfachten Verlauf des Drucks p im in fluider Phase vorliegenden Material an der Austrittsöffnung 70 in Abhängigkeit von einem Abstand x zwischen der Austrittsöffnung 70 und einer Oberfläche 100 im Bauraum 30, wobei die Position der Austrittsöffnung 70 schichtabhängig in einer vertikalen z-Richtung an einer ersten oder weiteren x-y-z-Position im dreidimensionalen Bauraum 30 konstant gehalten wird. Dabei erkennbar ist ein Effekt, der aus der Automation bereits bekannt ist, der sogenannte Nozzle-Flatter-Effekt. Dieser besagt, dass das aus der Austrittsdüse 70 mit zunächst einem konstanten Druck p_k austretende Material in fluider Phase durch das Auftreffen auf die Oberfläche 100 im Bauraum 30 einen Gegendruck erzeugt, der dem Druck p an der Austrittsöffnung 70, entgegenwirkt und diesen zumindest an der Austrittsöffnung 70 detektierbar verringert. Dieser Effekt beruht insbesondere auf der Tatsache, dass der Druck p an der Austrittsöffnung 70 nicht auf den konstanten Wert p_k im Materialspeicher 60 nachgeregelt wird. Je näher die Oberfläche 100 der Austrittsöffnung 70 ist, umso geringer wird der Abstand x und damit der detektierte Druck p sein.
Dabei kann die Oberfläche 100 die Oberfläche 100 des Objektträgers 10, die Oberfläche 100 einer bereits ausgebrachten Materialschicht 20 aus mindestens einem Volumenelement 50 oder die Oberfläche 100 des aktuell als Volumenelement 50 ausgebrachten Materials sein.
Das bedeutet, dass in dem Moment in dem noch kein Material in fluider Phase ausgebracht wurde, an der Austrittsöffnung 70 der maximale konstante Druck p_k detektiert wird, da der Abstand x der Austrittsöffnung 70 von der gegenüberliegenden Oberfläche 100 einem maximalen Wert a aufweist. Wird nun Material in fluider Phase tropfenförmig, strangförmig oder in einer geeigneten anderen Weise geformt aus der Austrittsöffnung 70 ausgebracht, trifft dieses auf die Oberfläche 100 und haftet an dieser an, wodurch sich der Abstand x zwischen der Austrittsöffnung 70 und der nun durch die Oberfläche des ausgebrachten Volumenelements 50 gebildeten Oberfläche 100 verringert, ggf. bis auf 0. Der durch das ausgebrachte Material in fluider Phase erzeugte Gegendruck vergrößert sich dadurch, wobei sich der detektierte Druck p verringert, ggf. bis auf 0, wenn das ausgebrachte Volumenelement in fluider Phase mit seiner Oberfläche 100 direkt an der Austrittsöffnung 70 anliegt, wobei der Abstand x in diesem Fall 0 wäre. Der detektierte Druckverlauf p wird nicht linear verlaufen, sondern einer gekrümmten Kurve folgen, wie in 2 angedeutet.
3 zeigt die wesentlichen Schritte des Einebnungsprozesses nach dem Verfahren. In Schritt 1 wird Material tropfenförmig, strangförmig oder in geeigneter anderer Weise geformt in fluider Phase aus dem Materialspeicher 60, in dem das Material unter einem konstanten Druck p_k steht, aus einer mit dem Materialspeicher 60 verbundenen taktbaren Austrittsöffnung 70 an einer ersten oder weiteren x-y-z-Position im dreidimensionalen Bauraum 30 ausgebracht. Dabei wirkt ein vom Abstand x von der Austrittsöffnung 70 zur Oberfläche 100 abhängiger und von dieser erzeugter Gegendruck auf die auszubringende fluide Phase des Materials ein. Die Position der Austrittsöffnung 70 ist dabei schichtabhängig in einer vertikalen z-Richtung an einer ersten oder weiteren x-y-z-Position im dreidimensionalen Bauraum 30 konstant.
Im Schritt 2 wird ein Druck p der fluiden Phase des Materials an der Austrittsöffnung 70 detektiert. Hat der Druck p einen vorbestimmten Wert erreicht, bei dem eine Höhe des Volumenelements 50 dem Abstand a der Austrittsöffnung 70 zur Oberfläche 100 vor dem Ausbringen der fluiden Phase des Materials minus dem Abstand x während des Ausbringens der fluiden Phase des Materials entspricht, wird das Ausbringen der fluiden Phase des Materials beendet. Ansonsten wird das Ausbringen bis zum Erreichen des Werts gemäß Schritt 1 fortgesetzt.
Nach Beenden des Ausbringens wird im Schritt 3 das Verfahren an einer weiteren von der vorhergehenden unterschiedlichen x-y-z-Position im dreidimensionalen Raum durch das weitere Ausbringen der fluiden Phase des Materials beginnend wieder in Schritt 1 so lange fortgesetzt, bis z.B. das wenigstens eine zu erzeugende Objekt 40 fertiggestellt ist. Die Korrelation des Drucks p mit den Abständen a und x ermöglicht eine freie Wahl zumindest der Höhe des Volumenelements 50.
4a-c zeigen den Prozess konkret anhand der Ausbringung des Volumenelements in fluider Phase. Dabei wird das Volumenelement in fluider Phase aus der Austrittsöffnung 70 ausgebracht, wobei die Position der Austrittsöffnung 70 dabei schichtabhängig in einer vertikalen z-Richtung an einer ersten oder weiteren x-y-z-Position im dreidimensionalen Bauraum 30 konstant ist. In 4a ist noch kein Material ausgebracht worden und der detektierte Druck p ist identisch mit dem konstanten Druck p_k. Der Abstand x zwischen der Austrittsöffnung 70 und der Oberfläche 100, in diesem Fall der Oberfläche 100 eines Objektträgers 10, ist dabei identisch mit dem Abstand a. In 4b hat das Volumenelement 50 noch nicht seine endgültige Form erreicht, der Abstand x ist gegenüber dem Abstand a verringert und bezieht sich auf die Oberfläche 100 des Volumenelements 50, wobei der detektierte Druck p bereits einen gegenüber dem konstanten Druck p_k verringerten Wert aufweist. Die Höhe des Volumenelements 50 beträgt in diesem Fall a minus x. In 4c weist das Volumenelement 50 seine endgültige Form auf, der Abstand x zur Oberfläche 100 des Volumenelements 50 weist einen vorbestimmten Wert auf, der in diesem Beispiel 0 ist und der detektierte Druck p entspricht einem vorbestimmten Wert, der ggf. 0 ist. Durch die Detektion des Drucks p an der Austrittsöffnung 70 kann die Ausbringung automatisch gesteuert werden. Das Volumenelement 50 wird eine den Gesetzten der Schwerkraft, den Kohäsionskräften des Materials und dessen schichtweisen Erkalten während des Ausbringens entsprechende eher bauchige und von der idealen Kugel abweichende Form aufweisen.
Dieser Effekt kann nun bevorzugt verwendet werden, um Unebenheiten entweder in der Oberfläche 100 des Objektträgers 10 und / oder mindestens einer bereits ausgebrachten Materialschicht 20 (6, 7) aus verfestigbarem Material einzuebnen. Dabei ist unter dem Begriff Unebenheit auch z. B. eine Schieflage der Oberfläche 100 zu verstehen oder eine unebene Oberfläche 100, hervorgerufen durch in das Material eingeschlossene Elemente, wie. z. B. objektfremde Körper oder Fasern.
5 zeigt eine Oberfläche 100 eines schief im Bauraum 30 angeordneten Objektträgers 10, deren Unebenheit durch das Ausbringen einer Schicht mit unterschiedlich hohen Volumenelementen 50 entsprechend dem Verfahren ausgeglichen wird. Die normalerweise zwischen den beiden dargestellten Volumenelementen 50 angeordneten weiteren Volumenelemente sind nicht dargestellt. Die Position der Austrittsöffnung 70 ist während des Ausbringens der gesamten Schicht in vertikaler z-Richtung an allen x-y-z-Positionen im dreidimensionalen Bauraum 30 konstant
6 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen Einebnungsprozesses. Dabei wird ein Volumenstrom der fluiden Phase des Materials in einer die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden Objekts verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens in übereinanderliegenden Materialschichten 20 ausgebracht und eine Anzahl von zum vollständigen Einebnen der Oberfläche 100 des schiefen Objektträgers 10 notwendigen Materialschichten 20 kann dabei entweder automatisch oder von einem Anwender des Verfahrens manuell eingestellt werden. Insbesondere die untere Schicht bzw. die unteren Schichten des Materials 20 können dem Ausgleich des schief im Bauraum 30 angeordneten Objektträgers 10 dienen, wobei diese Schichten und ggf. noch weitere Schichten im Inneren des dreidimensionalen Objekts aus einem besonders stabilen und/oder später vom dreidimensionalen Objekt 40 entfernbaren Stützmaterial hergestellt sein können. In dem dargestellten Beispiel erfolgt der Ausgleich mittels der untersten Schicht. Dabei nimmt der Abstand a von links nach rechts zu.
Bevorzugt wird in einer die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden dreidimensionalen Objekts bzw. seine Haftung auf dem Objektträger 10 verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens, die fluide Phase des Materials in übereinanderliegenden Materialschichten 20 ausgebracht und ein Querschnitt, insbesondere die Gesamtbreite, der Materialschichten 20 kann entweder automatisch oder von einem Anwender des Verfahrens manuell eingestellt werden. In Verbindung damit kann auch die Größe der Volumenelemente 50 über die Einstellung der konstanten Position der Austrittsöffnung 70 in vertikaler z-Richtung an allen x-y-z-Positionen zumindest einer Schicht des Materials im dreidimensionalen Bauraum 30 einstellbar sein.
Zur Vermessung der einzelnen Unebenheiten innerhalb einer Oberfläche 100 wird bevorzugt in einer zusätzlichen vorteilhaften die Eigenschaften des wenigstens einen herzustellenden dreidimensionalen Objekts 40 verbessernden Ausgestaltung des Verfahrens während des Ausbringens der fluiden Phase des Materials das ausgebrachte Volumen des Volumenelements 50 bestimmt, wobei nach dem Beenden des Ausbringens mittels des bestimmten Volumens das Maß der Unebenheit der Oberfläche 100 in einer im Wesentlichen vertikalen z-Position an der x-y-Position des Volumenelements 50 bestimmt wird. Dies kann gezielt zur Verbesserung des Herstellungsprozesses bei der Herstellung weiterer dreidimensionaler Objekte und damit zur Verbesserung deren Eigenschaften eingesetzt werden.
Zur Vermessung der Unebenheit eine vollständigen Oberfläche 100 wird bevorzugt in einer Ausgestaltung des Verfahrens mittels der einzeln bestimmten Maße der Unebenheiten der Oberfläche 100 eine topographische Karte der vollständigen Oberfläche 100 bestimmt. Auch dies kann gezielt zur Verbesserung des Herstellungsprozesses bei der Herstellung weiterer dreidimensionaler Objekte und damit zur Verbesserung deren Eigenschaften eingesetzt werden, wobei damit nochmals zusätzlich verbesserte Eigenschaften erzielt werden.
Um generelle Systemfehler auszuschließen oder zumindest zu verbessern, kann bevorzugt in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens mittels der einzeln bestimmten Maße der Unebenheiten der Oberfläche 100 eine Schieflage eines x-y-Achssystems der Oberfläche 100 bestimmt werden. Dabei kann es sich z. B. um die Oberfläche 100 eines im Herstellungsprozess von mehreren Objekten verwendeten, also wiederverwendbarem Objektträgers 10 handeln.
Den Herstellungsprozess zusätzlich verbessernd wird bevorzugt in einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens mittels der bestimmten Schieflage des x-y-Achssystems der Oberfläche 100, ein optimaler Abstand zwischen der Austrittsöffnung 70 und der Oberfläche 100 bestimmt. Auch hier kann in Verbindung damit die Größe der Volumenelemente 50 über die Einstellung der konstanten Position der Austrittsöffnung 70 in vertikaler z-Richtung an allen x-y-z-Positionen zumindest einer Schicht des Materials im dreidimensionalen Bauraum 30 einstellbar sein. Insbesondere können damit bei der Auswahl der Größe der Volumenelemente 50, die ggf. spezifischen Materialeigenschaften berücksichtigt werden.
Gerade bei Herstellungsbedingungen, bei denen ggf. größere Temperaturschwankungen im Bauraum 30 ausgeglichen werden müssen, kann bevorzugt in einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens die fluide Phase des Materials eine Temperatur abhängige Viskosität aufweisen und die Temperatur kann bei Änderung der Viskosität der fluiden Phase des Materials unter Beibehalten des konstanten Drucks p_k im Materialspeicher 60 geregelt nachgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann unter Konstanthaltung des Drucks p_k an der Austrittsöffnung 70 mindestens ein Prozessparameter, umfassend eine Taktzeit oder Taktbewegung der Austrittsöffnung 70 oder die Temperatur der fluiden Phase des Materials, unter Beibehalten der weiteren Prozessparameter geregelt zum Erhalt einer vorbestimmten Größe der Volumenelemente nachgeführt werden. Somit kann innerhalb einer bestimmten Zeit, der Taktzeit, oder mit einer bestimmten Bewegungsrate des Verschlusses, der Taktbewegung, das unter dem konstanten Druck p_k stehende Material in fluider Phase mit einer aufgrund des konstanten Drucks p_k konstanten Durchflussrate aus der Austrittsöffnung 70 ausgebracht werden.
Vorzugsweise können auch in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zur Änderung einer Dichte der fluiden Phase des Materials der konstante Wert des Drucks p_k im Materialspeicher 60 auf einen anderen konstanten Wert und / oder die Temperatur geändert werden, wodurch die Viskosität des Materials beeinflusst wird.
7 zeigt in einer bevorzugten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weitere Materialschichten 20, die über ersten Materialschichten 20 mit zumindest teilweise darin eingebetteten Elementen und / oder Fasern 80 angeordnet sind, wobei die mit den Fasern 80 versehene Schicht oder eine darüber angeordnete Schicht mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eingeebnet wird. Damit ist es möglich, z. B. die Struktur des dreidimensionalen Objekts verbessernde Fasern, insbesondere Glas- oder Kohlefasern, in das wenigstens eine dreidimensionale Objekt einzulagern. Aber auch andere Elemente, wie z. B. der Identifikation des dreidimensionalen Objekts dienende Transponder, können in das dreidimensionale Objekt 40 eingebettet werden. Im dargestellten Beispiel weisen zum Ausgleich die Tropfen 50 direkt Volumenelemente über den eingebetteten Fasern 80 eine geringere Höhe auf.
Eine Maschine zur Verarbeitung von Kunststoffen und anderer plastifizierbarer Massen, ins-besondere 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

10: Objektträger,
20: Materialschicht,
30: Dreidimensionaler Bauraum,
40: Dreidimensionales Objekt,
50: Volumenelement,
60: Materialspeicher,
70: Austrittsöffnung,
80: Faser,
90: Stützmaterial,
100: Oberfläche,
p: Druck an der Austrittsöffnung,
pk: Druck im Materialspeicher.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012004988 A1 [0003]
WO 2021/020962 A1 [0004]
US 10994462 B2 [0005]

Claims

Verfahren zum Herstellen wenigstens eines dreidimensionalen Objekts (40) aus verfestigbarem Material in einem dreidimensionalen Bauraum (30), wobei das Material in einer fluiden Phase vorliegt, wobei ein Volumenstrom des Materials mittels Ausbringen von aufeinanderfolgenden Volumenelementen (50) in einer im Wesentlichen vertikal in z-Richtung anordenbaren Schichtung mit zumindest einer sich im Wesentlichen in einer horizontal erstreckenden x-y-Ebene angeordneten Schicht ausgebracht wird, und zum Einebnen mindestens einer Unebenheit einer im Bauraum (30) sich im Wesentlichen in einer horizontal erstreckenden x-y-Ebene angeordneten Oberfläche (100) mit einer in einer im Wesentlichen vertikalen z-Richtung uneinheitlichen Erstreckung, umfassend die Schritte: - Einbringen der fluiden Phase des Materials in einen Materialspeicher (60); - Erzeugen eines konstanten Drucks (p_k) auf die fluide Phase des Materials im Materialspeicher (60); - Ausbringen der fluiden Phase des Materials aus einer mit dem Materialspeicher (60) verbundenen taktbaren Austrittsöffnung (70), deren Position schichtabhängig in einer vertikalen z-Richtung an einer ersten oder weiteren x-y-z-Position im dreidimensionalen Bauraum (30) konstant gehalten wird, wobei ein von einem Abstand (x) von der Austrittsöffnung (70) zur Oberfläche (100) abhängiger und von dieser erzeugter Gegendruck auf die auszubringende fluide Phase des Materials einwirkt; dadurch gekennzeichnet, dass zum Einebnen ein Druck (p) der fluiden Phase des Materials an der Austrittsöffnung (70) detektiert wird, dass das Ausbringen des Materials bei einem vorbestimmten Wert des detektierten Drucks (p) beendet wird, bei dem eine Höhe des Volumenelements (50) einem Abstand (a) der Austrittsöffnung (70) zur Oberfläche (100) vor dem Ausbringen der fluiden Phase des Materials minus dem Abstand (x) während des Ausbringens der fluiden Phase des Materials entspricht, und dass das Verfahren durch das weitere Ausbringen der fluiden Phase des Materials an der weiteren von der vorhergehenden unterschiedlichen x-y-z-Position im dreidimensionalen Raum fortgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Unebenheit der Oberfläche (100) eines Objektträgers (10) und / oder mindestens einer ausgebrachten Materialschicht (20) aus verfestigbarem Material eingeebnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die fluide Phase des Materials in übereinanderliegenden Materialschichten (20) ausgebracht wird und dass eine Anzahl von zum vollständigen Einebnen der Oberfläche (100) notwendigen Materialschichten (20) entweder automatisch oder von einem Anwender des Verfahrens manuell eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fluide Phase des Materials in übereinanderliegenden Materialschichten (20) ausgebracht wird und dass ein Querschnitt der Materialschichten (20) entweder automatisch oder von einem Anwender des Verfahrens manuell eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ausbringens der fluiden Phase des Materials das ausgebrachte Volumen des Volumenelements (50) bestimmt wird und dass nach Beenden des Ausbringens mittels des bestimmten Volumens das Maß der Unebenheit der Oberfläche (100) in einer im Wesentlichen vertikalen z-Position an der x-y-Position des Volumenelements bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der einzeln bestimmten Maße der Unebenheiten der Oberfläche (100) eine topographische Karte der Oberfläche (100) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der einzeln bestimmten Maße der Unebenheiten der Oberfläche (100) eine Schieflage eines x-y-Achssystems der Oberfläche (100) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der bestimmten Schieflage des x-y-Achssystems der Oberfläche (100) ein optimaler Abstand zwischen der Austrittsöffnung (70) und der Oberfläche (100) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fluide Phase des Materials eine Temperatur abhängige Viskosität aufweist und dass die Temperatur bei Änderung der Viskosität der fluiden Phase des Materials unter Beibehalten des konstanten Drucks (p_k) im Materialspeicher (60) geregelt nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Konstanthaltung des Drucks (p_k) an der Austrittsöffnung (70), mindestens ein Prozessparameter, umfassend eine Taktzeit oder Taktbewegung der Austrittsöffnung (70) oder die Temperatur der fluiden Phase des Materials, unter Beibehalten der weiteren Prozessparameter geregelt zum Erhalt einer vorbestimmten Größe des Volumenelements nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Änderung einer Dichte der fluiden Phase des Materials der konstante Wert des Drucks (p_k) im Materialspeicher (60) auf einen anderen konstanten Wert und / oder eine Temperatur geändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Materialschicht (20) über mindestens einer Materialschicht (20) mit zumindest teilweise darin eingebetteten Elementen und / oder Fasern (80) eingeebnet wird.
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 12 auszuführen.
Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem Computer lesbaren Medium gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.