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STAND DER TECHNIK
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche sowie das Verfahren, welches mit der Vorrichtung durchgeführt wird.
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Die Schrift
US 2007/0023977 A1 offenbart ein 3D-Druckverfahren, bei dem das Werkstück in Schichten auf einem Träger aufgebaut wird.
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Häufig ist ein solcher Träger bzw. Grundträger oder die Grundplatte des Geräts, auf dem der 3D-Druck stattfindet, nicht eben bzw. nicht eben genug. Solche Unebenheiten können dazu führen, dass sich nach dem schichtweisen Auftrag des Druckmaterials Verformungen des Werkstücks ergeben, die nicht gewünscht sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Nachteile, die sich aus dem Stand der Technik ergeben zu verringern.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, ein Verfahren und einen Sensor zum 3D-Drucken gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorgeschlagen werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum 3D-Drucken eines Werkstücks auf einem Grundträger oder einer Auflage. Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu ausgebildet mehrere Schichten (bzw. Lagen) von Material übereinander zu drucken. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dazu ausgebildet, das vorliegende Verfahren durchzuführen: Wenigstens eine Schicht wird so gedruckt, dass sie an wenigstens zwei Stellen eine unterschiedliche Dicke aufweist. Die Dicke ist dabei so gewählt, dass sie eine Unebenheit des Grundträgers oder der Auflage zumindest teilweise ausgleicht. Mit Unebenheit sind dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht nur mikroskopische Ungleichheiten, sondern auch größere Strukturierungen bzw. Topographien, also auch makroskopische Gebirge gemeint, auf die gedruckt wird.
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Somit kann durch die wenigstens eine Schicht die Unebenheit des Grundträgers teilweise oder vollständig ausgeglichen werden. Diese wenigstens eine Schicht besitzt eine untere Grenzfläche, d. h. die Fläche, die zum Grundträger hinweist, sowie eine Oberfläche, auf der eine folgende Schicht zur Formung des Werkstücks durch den 3D-Drucker aufgetragen wird.
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Der Abstand dieser beiden Flächen ist über die (bevorzugt horizontale) Ausdehnung der Schicht nicht identisch, sondern unterschiedlich und damit auch die Dicke der Schicht. Die Unterschiede sind dabei derart, dass die ursprüngliche Unebenheit des Grundträgers und damit auch der unteren Grenzfläche der Schicht ausgeglichen wird, so dass die Oberseite, bzw. Oberfläche der Schicht eben oder zumindest ebener ist, als die untere Grenzfläche.
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Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass in einer Senke (bzw. Vertiefung) des Grundträgers die Dicke der Schicht dicker hergestellt wird als an der Stelle einer Erhöhung. Nach Auftrag der Schicht ist auf der Oberfläche der Schicht die Stelle der Senke somit nicht mehr so tief im Vergleich zu der Stelle, an der sich die Erhöhung befindet. Gegebenenfalls kann eine solche Unebenheit durch Auftragen einer Schicht auch komplett ausgeglichen, d. h. eingeebnet werden.
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Eine solche Schicht kann man als Ausgleichsschicht bezeichnen, d. h. sie gleicht die Höhenunterschiede der Unebenheit aus. Üblicherweise sind die untersten Schichten, d. h. die als erste gedruckt werden, solche Ausgleichsschichten. Die gemäß dem Anspruch mehreren Schichten umfassen eben solche Ausgleichsschichten, wohingegen das gesamte Werkstück natürlich mehr Schichten als lediglich diese Ausgleichsschichten umfassen kann.
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Als Material zum Drucken können verschiedene Werkstoffe für generative Verfahren Anwendung finden, die durch chemische Reaktionen, Polymerisation oder feste Ausgangsstoffe wie ein Draht (Filament), Pulver oder Folie hergestellt werden. Insbesondere können auch die Techniken Fused Filament Fabrication (FFF), bzw. Fused Deposition Modeling (FDM) verwendet werden.
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Das Material kann später Teil des Werkstücks sein oder ein sogenanntes Spacer-Material, welches dazu dient, hängende Strukturen von Druckmaterial zu stützen. Dieses Stützmaterial wird am Ende wieder entfernt.
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Das Werkstück ist vorliegend der Gegenstand, der am Ende des Druckvorgangs entstehen soll. Der Grundträger kann die Bodenplatte des 3D-Druckers sein oder auch eine beliebige andere Auflage, auf der das Werkstück entstehen soll. Gegebenenfalls kann hierfür auch ein sogenanntes Raft, d. h. eine Auflage Anwendung finden, die auf die Bodenplatte des 3D-Druckers gestellt wird und auf welchem das Werkstück entsteht.
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Die Auflage kann erfindungsgemäß auch durch ein Halbzeug gebildet sein, welches auf eine Bodenplatte gelegt wird und auf das eine oder mehrere Schichten zur Fertigstellung des Modells gedruckt werden.
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Das Material bzw. Druckmaterial ist der Werkstoff, aus dem das Werkstück gefertigt wird. Gegebenenfalls kann auch eine Mehrzahl von Werkstoffen hieran beteiligt sein. Diese Materialien sollten geeignet sein, den erfindungsgemäßen Ausgleich der Unebenheiten zu bewerkstelligen.
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Bei der Fertigstellung von Halbzeugen kann beispielsweise eine Glasfaserverstärkung aufgedruckt werden.
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Die Grenze, wann eine Oberfläche als eben bzw. uneben anzusehen ist, ist anwendungsbezog. Als Maß für die Ebenheit kann hierbei die maximale Ausdehnung in z-Richtung einer Ebene in ihrer ganzen x-y-Ausdehnung dienen. Anders gesagt, der maximale Höhenunterschied zwischen dem tiefsten und dem höchsten Punkt einer Fläche, die sich in x-y-Richtung ausdehnt oder erstreckt. Als Grenze zwischen eben und uneben kann ein solcher Höhen- bzw. Dickenunterschied bei z. B. 5; 2; 1; 0, 5; 0,1; 0,05 oder 0,01 mm gewählt werden. Eine ähnliche Betrachtung wie für die Oberflächen, gilt auch für die Schichten (oder auch Lagen genannt). Hierbei werden nicht Höhenunterschiede der Oberfläche betrachtet, sondern Unterschiede der Schichtdicke in ihrer x-y-Ausdehnung der Schicht.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann eine Unebenheit auch eine Schräge sein, wobei hier die z-Richtung entscheidend ist, in der das Werkstück aufgebaut wird. Anders ausgedrückt kann die Grundplatte schräg bzw. schief stehen, wenn der Druckkopf bei einer Bewegung rein in z-Richtung sich nicht im rechten Winkel zur Grundplatte bewegt. Zum Ausgleich dieser Schräge können eine oder mehrere Schichten gedruckt werden, die an der Stelle, an der die Grundplatte tiefer reicht, dicker sind und an der Stelle der Schräge, die höher reicht, dünner sind.
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In einer besonderen Ausführungsform gleicht jede der mehreren Schichten die Unebenheit teilweise aus. Die mehreren Schichten gleichen in ihrer Gesamtheit die Unebenheit vollständig aus.
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Wenn jede der mehreren Schichten teilweise zum Ausgleich beiträgt, kann das zu besseren Ergebnissen führen. Insbesondere dann, wenn z. B. nur geringe Unterschiede im Materialauftrag pro Schicht möglich oder sinnvoll sind.
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Gegebenenfalls ist es sinnvoll, für diese Ausgleichsschichten eine niedrigere durchschnittliche Schichtdicke zu verwenden als für die Schichten zur Formung des Werkstücks, wenn die Schichtdicke im Wesentlichen konstant bleibt. So kann eine der Ausgleichsschichten beispielsweise eine maximale Schichtdicke von z. B. 5; 2; 1; 0,5; 0,1; 0,05; 0,01 mm besitzen.
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Wie der Ausgleich der Unebenheit auf die einzelnen Ausgleichsebenen verteilt wird, kann unterschiedlich sein. So kann dieser linear aufgeteilt werden, d. h. der Höhenunterschied einer Unebenheit auf der Grundplatte wird durch die Anzahl der Ausgleichsschichten geteilt und dieser Wert dann der durchschnittlichen Dicke einer Schicht aufgeschlagen. Auch andere, gestufte Verfahren sind denkbar, bei denen die ersten Schichten z. B. dünner oder dicker als die folgenden Ausgleichsschichten sind. Auch z. B. eine logarithmische Verteilung der Dicke der Schichten ist denkbar. Dadurch kann ein Fading Effekt erzielt werden.
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Das Drucken mehrerer Schichten kann sinnvoll sein, da so z. B. nach dem Drucken jeder Schicht eine neue Oberflächenvermessung stattfinden kann, die die noch vorhandene Unebenheit feststellt. Auch können während des Druckens aufgrund sich verändernder Temperaturbedingungen neue Unebenheiten entstehen, die dann wieder ausgeglichen werden können.
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Weiterhin können die mehreren Schichten unterschiedlich gedruckt werden, z. B. weil die oberste Schicht der mehreren (Ausgleichs-)Schichten bzw. deren Oberfläche, spezielle Eigenschaften, wie z.B. eine glatte Oberflächenstruktur, aufweisen soll. Ggf. kann dies z. B. nur dann erreicht werden, wenn die Schicht eine bestimmte Mindest- oder Maximaldicke/-Materialauftrag hat.
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In einer besonderen Ausführungsform weisen die mehreren Schichten/Lagen in ihrer Gesamtheit eine Dicke von 8 bis 12 mm auf.
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Eine Dicke der mehreren Schichten, bzw. Ausgleichsschichten zwischen 8 und 12 mm kann sinnvoll sein, da die Werkstoffe bestimmter Druckverfahren, insbesondere von Filamenten, über diesen Bereich einen Unebenheitsausgleich ideal bzw. gut bewerkstelligen. Dies kann auch ein Kompromiss zwischen einem Erschaffen einer guten Ebenheit bei möglichst wenig Materialverbrauch sein.
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Weitere mögliche Bandbreiten für die Dicke der mehreren Schichten können sein: 5 bis 15 mm; 9,5 bis 10,5 mm; 9,9 bis 10,1 mm.
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In einer besonderen Ausführungsform wird die unterschiedliche Dicke an wenigstens zwei Stellen durch den Auftrag unterschiedlicher Mengen an Material erzeugt.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die unterschiedlichen Dicken einer Schicht herzustellen. Die wenigstens zwei Stellen, an denen die Dicke unterschiedlich ist, zeichnen sich in der Herstellung dadurch aus, dass an der Stelle, an der die Schicht dicker ist, mehr Material (z. B. Filament) aufgetragen wird.
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In einer weiteren Ausführungsform entsteht der unterschiedliche Auftrag unterschiedlicher Mengen an Material durch Extrudieren von mehr bzw. weniger Material an der jeweiligen Stelle. So kann der Extruder an einer Stelle, an der mehr Material aufgetragen werden soll, mit einer höheren Geschwindigkeit das Filament extrudieren. Bei z. B. einer konstanten Bewegungsgeschwindigkeit des Druckkopfes führt es dazu, dass an der Stelle, an der der Extruder mit höherer Geschwindigkeit extrudiert, mehr Material aufgetragen wird.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Auftrag unterschiedlicher Mengen des Werkstoffes durch langsameres bzw. schnelleres Bewegen des Druckkopfes in der x-y-Ebene erreicht. Falls die Geschwindigkeit, mit der das Material extrudiert wird, konstant bleibt, wird auf einer Stelle, an der sich der Druckkopf schnell bewegt, weniger Material aufgetragen als an einer Stelle, an der sich der Druckkopf langsam bewegt.
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In einer weiteren Ausführungsform ändert sich die Menge des extrudierten Materials im Laufe der Bewegung des Druckkopfs kontinuierlich. Mit anderen Worten, es wird ein kontinuierlicher Übergang der Mengenänderung erreicht. Zum Beispiel kann dazu bei konstanter Extrusionsgeschwindigkeit der Druckkopf kontinuierlich verzögert bzw. beschleunigt werden. Dadurch bekommt das Material eine kegelförmige bzw. in der Fläche betrachtet eine keilförmige Form.
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Wird zumindest an zwei Stellen das Material mit unterschiedlicher Dicke aufgetragen, so kann an diesen wenigstens zwei Stellen eine Unebenheit ausgeglichen werden, sofern der dickere Teil des Materials sich in der vorherigen Senke befindet und der dünnere Teil des Materials auf der vorherigen Erhöhung. Dadurch erfolgt ein Ausgleich bzw. eine Nivellierung. In einem Extremfall kann die minimale Dicke auch null betragen, d. h. an dieser Stelle findet kein Materialauftrag statt. Somit würden quasi nur Senken verfüllt.
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Natürlich kann in der Praxis dieses Verfahren auch an mehr als zwei Stellen angewendet werden. Idealerweise wird es überall dort angewendet, wo sich die Grundfläche des Werkstücks erstreckt oder in einem Bereich, in dem die Ebenheit wichtig ist.
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Bevorzugt wird die Unebenheit mit Hilfe eines Sensors ausgemessen.
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Die Bestimmung der Unebenheit kann nur bei starker Unebenheit theoretisch mit dem Auge erfolgen. Praktikabler ist es, einen Sensor zu Hilfe zu nehmen, der die Oberfläche des Grundträgers ausmisst, insbesondere auch, wenn die Unebenheiten mit dem Auge nicht gut sichtbar sind.
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Vorzugsweise wird erfindungsgemäß ein Sensor verwendet, welcher eine Mindest-Auflösung von 100 Mikrometer, besonders bevorzugt eine Mindest-Auflösung von 10 Mikrometern besitzt.
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Dieser Sensor ist bevorzugt mit dem Druckkopf verbunden und befindet sich auf gleicher, niedrigerer oder höherer Ebene in Bezug auf den Druckkopf gegenüber der Grundfläche.
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Dieser „Offset“ zwischen dem Druckkopf und dem Sensor wird gemäß einer Ausführungsform werksmäßig bestimmt und wird zur Berechnung des Abstandes zwischen dem Druckkopf und der Oberfläche des Grundträgers oder der Oberfläche auf die eine Schicht gedruckt werden soll verwendet. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird dieser Offset vor Beginn eines Druckvorgangs bestimmt und fließt in die weiteren Berechnungen während des Druckvorgangs ein.
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Der Sensor ist dazu ausgebildet, die Oberfläche des Grundträgers oder die Oberfläche auf die eine Schicht gedruckt werden soll zu vermessen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor dazu ausgebildet, nicht bzw. nicht nur die Grundplatte zu vermessen, sondern auch die zuletzt gedruckte Schicht zu vermessen. Bevorzugt erfolgt die Vermessung in regelmäßigen Abständen oder fortlaufend während des gesamten Druckprozesses. Diese Messung kann gemäß einer Ausführung der Erfindung im „closed loop“ erfolgen. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise die Abweichungen eines Druckes einer jeden Schicht vom Sollwert dieser Schicht (bezogen auf die vom Sensor ermittelten Werte) zu bestimmen und ggf. die Extrusionsgeschwindigkeit oder eine andere Größe des Druckes so zu steuern, dass die Abweichung des Istwertes vom Sollwert mit dem Druck der nächsten Schicht kompensiert wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform erfolgt die Vermessung vor Beginn des Druckvorgangs. Bei einer Vermessung vor Beginn des Druckvorgangs würde zunächst eine Vermessung stattfinden und wenn diese beendet ist, eine Auswertung erfolgen und daraufhin der Druckvorgang starten.
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Wenn die Vermessung während des Druckvorgangs erfolgt, dann hat das den Vorteil, dass die zuletzt gedruckten Schichten mit vermessen werden können. Dadurch kann überwacht werden, ob der Ausgleich der Unebenheiten planmäßig erfolgt ist, oder ob eine weitere Anpassung beim Druck der folgenden Schicht oder Schichten erfolgen muss.
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Der Sensor kann am Druckkopf befestigt sein oder baulich von diesem getrennt sein.
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Eine Messung kann auch bereits ab Werk, bzw. durch eine Kalibrierung durchgeführt werden, wenn man davon ausgeht, dass die Grundplatte eine Fertigungsungenauigkeit hat, was zu einer Unebenheit führt, und diese während ihrer Lebensdauer aber relativ konstant bleibt. So kann die Unebenheit vermessen werden und der Drucker mit einem Unebenheitsmodell der jeweiligen Bodenplatte parametrisiert werden, das er bei jedem Druckvorgang berücksichtigen kann.
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Falls es Einflüsse gibt, wonach davon auszugehen ist, dass sich die Grundplatte im Laufe des Lebenszyklus des Geräts ändert, so ist entweder eine regelmäßige Neukalibrierung erforderlich, d. h. neue Vermessung mit einem geeigneten separaten Sensor, oder eine regelmäßige, gelegentliche Messung mit einem Sensor, der im Drucker selbst eingebaut ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch nur der Bereich der Grundplatte vermessen werden, in welchem das zu drucken Objekt die Grundplatte berühren wird. Das hat den Vorteil, dass die Vermessung schneller durchgeführt werden kann. Auch bei dieser Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass weitere Messungen im Bereich der zuletzt gedruckten Schicht während des Druckvorgangs durchgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird auch ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgeschlagen, die es ermöglicht, verbessert auf einen auf einer Grundplatte liegenden Gegenstand, wie z. B. ein Halbzeug zu drucken.
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Bei dieser Ausführungsform wird zusätzlich oder gemäß einer anderen Ausführungsform ausschließlich mit einem Sensor die Oberfläche des Halbzeugs erfasst, auf die gedruckt werden soll. Auf diese Art und Weise ist es möglich, die Form, Größe und Ebenheit der Oberfläche eines Halbzeugs zu bestimmen, auf die eine oder mehrere Schichten gedruckt werden sollen.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform erfasst der Sensor in einem ersten Schritt, dass auf der Grundplatte ein Gegenstand liegt.
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Dies kann gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen durch das Anfahren einer Referenzmarke (Kreuz, Dreieck, ähnlich zu Druckmarken) erfolgen, um die absolute Orientierung des Halbzeugs im Druckraum zu ermöglichen.
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Die Präsenz eines bestimmten Gegenstandes z.B. eines bestimmten Halbzeugs auf der Grundplatte kann aber auch durch einen Abgleich der vom Sensor ermittelten Werte mit den in einer Datenbank abgespeicherten Werten von bekannten Gegenständen festgestellt werden.
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Vorzugsweise wird daraufhin ein bestimmter Aufdruck (oder eine Auswahl von Aufdrucken) von der 3D-Druckvorrichtung vorgeschlagen oder automatisch gestartet.
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Bevorzugt wird dann zusätzlich während des Druckvorgangs der Sollwert und der Istwert – bezüglich der vom Sensor ermittelten Werte – in regelmäßigen Abständen während des Druckvorgangs ermittelt und besonders bevorzugt erfolgt daraufhin eine anpassende Regelung falls Abweichungen zwischen den Soll- und Istwert bestehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine Messung während des Druckvorgangs stattfinden, unmittelbar bevor der das Material aufgetragen wird.
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Ein geeigneter Sensor kann z. B. mit dem Druckkopf verbunden sein und diesem in Druckrichtung vorauslaufen. Das heißt, zwischen Sensor und Druckkopf befindet sich ein bestimmter Abstand, der so gewählt werden sollte, dass es bei einer entsprechenden Druckgeschwindigkeit zeitlich ausreicht, die Menge rechtzeitig richtig anzupassen, aufgrund der vom Sensor gemessenen Dicke bzw. Abstand zur Grundplatte bzw. zur Oberfläche der letzten Schicht.
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In einer besonderen Ausführungsform sind die Stellen an denen die Unebenheit gemessen wird in einer Matrix z. B. 5×5 auf der Grundplatte angeordnet.
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Wird beispielsweise eine 5×5-Matrix über der Grundplatte definiert, ergeben sich 25 Messpunkte, die im Gitternetz angeordnet sind. Die Anzahl der Messpunkte bzw. die Lage der Messpunkte kann z. B. vom verwendeten Material der Grundplatte abhängig gemacht werden. Umfasst eine Grundplatte Heiz- oder Kühlelemente, so ergeben sich durch die thermischen Unterschiede in der Platte charakteristische Wellenbildungen. Gemäß einer Ausführungsform sind die Messpunkte so auf der Grundplatte angeordnet, dass die Unebenheiten aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen besonders gut erkannt werden können. Bevorzugt sind die Messpunkte in diesem Falle also an den besonders warmen und gleichzeitig auch bei den besonders kalten Stellen der Grundplatte vorgesehen.
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So kann abhängig von z. B. den materialspezifischen Eigenschaften auch eine andere Matrix, beispielsweise eine 4×4-Matrix mit 16 Messpunkten oder eine Matrix mit mehr Messpunkten Anwendung finden.
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Geht man davon aus, dass eine Welligkeit auf der Grundplatte entsteht mit nur einer bestimmten Anzahl von Wellen, so kann die Größe der Matrix bzw. Anzahl der Messpunkte anhand des Abtastkriteriums festgelegt werden, so dass keine Unterabtastung und keine deutliche Überabtastung entsteht.
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Vorgeschlagen wird auch ein Sensor zum Messen einer Unebenheit eines Grundträgers einer 3D-Druckvorrichtung.
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Zur hardwarespezifischen Realisierung der Erfindung bzw. des vorgenannten Verfahrens kann eine Druckvorrichtung mit einem Sensor verwendet werden, der die Unebenheit der Grundplatte vermisst. Insbesondere kann ein Sensor verwendet werden, der den Abstand zwischen Sensor und der Grundplatte misst. Ist der Sensor gegenüber der Grundplatte im Wesentlichen unbeweglich, so muss er die ganze Grundplatte erfassen können von der Position aus, an der er sich befindet. Kann der Sensor sich über der Grundplatte bewegen und diese quasi senkrecht abtasten, so misst der Sensor üblicherweise den Abstand zwischen dem Sensor und der Stelle der Grundplatte, über der sich der Sensor momentan befindet. Geht man davon aus, dass die Bewegung des Sensors in x-y-Richtung über der Grundplatte in einer Ebene erfolgt, so äußert sich die Unebenheit einer Grundplatte dadurch, dass an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Abstände gemessen werden.
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Ein solcher Sensor kann separat vom Drucker vorgesehen sein und z. B. nur nach Bedarf verwendet werden, beispielsweise im Einsatz im Werk nach der Produktion oder zur Neukalibrierung.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor Bestandteil des 3D-Druckers und mit diesem baulich verbunden oder verbindbar. Dadurch kann eine Vermessung vor, während oder nach jedem Druckvorgang eines Werkstücks oder vor, während oder nach einem Druckvorgang einer oder jeder Schicht durchgeführt werden. Bevorzugt wird der Sensor während des Druckvorgangs im „closed loop“ verwendet und analysiert ständig Sollwerte und Istwerte während des Drucks.
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In einer besonderen Ausführungsform ist der Sensor mit einer Extrudiervorrichtung unbeweglich verbunden ist.
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Wenn der Sensor mit dem Druckkopf bzw. einer Extrudiervorrichtung unbeweglich verbunden ist, so kann eine Messung immer ungefähr an der Stelle erfolgen, an der bald gedruckt wird. Dies kann sinnvoll sein, falls der Grundträger beispielsweise in seiner Unebenheit variabel ist, z. B. durch thermische Verformungen, die im Betrieb auftreten können. In solchen Fällen muss eine zeitnahe Vermessung stattfinden, die auf diese Weise gewährleistet werden kann. Dafür kann der Sensor dem Druckkopf selbst vorauseilen, da in der Regel vor dem Auftrag des Materials der Untergrund, sprich die Grundplatte, vermessen werden sollte.
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In einer besonderen Ausführungsform sind mehrere Sensoren um die Extrudiervorrichtung herum angeordnet.
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Es können mehrere Sensoren um die Extrudiervorrichtung bzw. den Druckkopf angeordnet sein, z. B. für den Fall, dass der Druckkopf in verschiedene Richtungen druckt und nicht nur im Zeilensprungverfahren. Falls der Sensor den Druckkopf vorauseilen muss, sollte er das in jeder Richtung können. Dazu können z. B. 6, 8 oder 4 Sensoren um den Druckkopf herum zirkular angeordnet sein, um beim Druck in jeder Bewegungsrichtung vorauseilend messen zu können.
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In einer anderen Ausgestaltung kann z. B. auch nur ein Sensor mit einem Druckkopf eine Druckkopfsensoreinheit bilden, die sich rotatorisch um die z-Achse drehen kann und im Betrieb immer so gedreht wird, dass der Sensor in Druckrichtung dem Druckkopf vorausläuft.
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Eine Vermessung mit mehreren Sensoren wird in der Regel dann Sinn machen, wenn eine Messung während des Druckens erfolgen soll.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Betrieb wenigstens zwei Sensoren den Abstand zur Grundplatte und/oder zur letzten gedruckten Schicht gleichzeitig messen.
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Auf diese Weise kann beispielsweise eine Kontrolle stattfinden, ob die Schichtdicke der zuletzt gedruckten Schicht den Sollvorgaben entsprochen hat oder ob eine Anpassung notwendig ist.
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Die beschriebene Sensorik bzw. das beschriebene Verfahren kann für die Unebenheit eines Grundträgers (Grundplatte) genauso angewendet werden, wie zur Vermessung der Unebenheit einer obersten Schicht (Oberfläche), auf die gegebenenfalls eine weitere Schicht aufgedruckt wird.
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Vorgeschlagen wird ein System aus dem beschriebenen Sensor in Verbindung mit einem 3D-Drucker bzw. einer Druckvorrichtung, in dem das beschriebene Verfahren zur Anwendung kommen kann.
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Die beschriebene 3D-Druckvorrichtung kann insbesondere auch besonders gut für den Druck von Neigungen, Aussparungen und dergleichen eingesetzt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die 3D-Druckvorrichtung dazu ausgebildet, beim Drucken eine Oberflächenstrukturierung zu berücksichtigen und/oder zu bewirken, welche das Anhaften einer Schicht verbessert, wobei mit Hilfe des Sensors die Unebenheit der Oberfläche, auf die gedruckt wird, erfasst wird und beim Druck berücksichtigt wird.
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Unter Berücksichtigen versteht sich hierbei die Anpassung wesentlicher Druckparameter, wie etwa die Extrusionsgeschwindigkeit, die Druckgeschwindigkeit, die Temperatur während des Druckvorgangs oder andere Parameter, welche Auswirkungen auf die Verfestigung der gedruckten Schicht haben.
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Vorzugsweise umfasst die Strukturierung auch Neigungen oder Aussparungen, welche mit Hilfe des Sensors erkannt und beim Druck zur Verbesserung der Gesamtfestigkeit des Modells berücksichtigt werden. Dem Fachmann sind hierfür Möglichkeiten bekannt, wie etwa das Feder-Nut-Prinzip oder auch Oberflächenrauheit im Mikrometerbereich, auf welcher eine gedruckte Schicht besser anhaftet.
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Für eine optimale Wirkung ist es entscheidend, dass eine Vermessung der Oberfläche stattfindet, auf welche gedruckt wird.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.
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1 zeigt eine Bodenplatte mit einem Werkstück;
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2a zeigt den Querschnitt einer unebenen Bodenplatte mit einem Werkstück;
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2b zeigt eine schiefe Bodenplatte mit einem Werkstück;
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3a zeigt eine Grundplatte und eine Transformationsebene;
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3b zeigt eine schiefe Bodenplatte mit einem Werkstück;
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4 zeigt einen Sensor und einen Druckkopf über einer unebenen Bodenplatte.
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In 1 ist eine Grundplatte 11 gezeigt, auf der ein Werkstück 12 aufgedruckt wurde. Das Werkstück ist wie hier dargestellt ein Zylinder, der sich in z-Richtung erstreckt mit einem kreisförmigen Grundriss, der auf der Grundplatte zum Liegen kommt. Die Grundplatte 11 besitzt hierbei Unebenheiten, die in den Wellenlinien, wie z. B. 13, dargestellt sind. Es kann eine Matrix aufgespannt werden, wie durch die Linien 13 bzw. Kreuzungspunkte 14 gezeigt, die die Unebenheit ersichtlich machen. Technisch kann dies durch Sensormessungen an z. B. den Kreuzungspunkten 14 umgesetzt werden.
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In 2a ist ein Querschnitt dargestellt, der die Grundplatte 11 und das Werkstück 12 aus 1 im Querschnitt darstellt. Hierbei sieht man, wie die Grundplatte 11 Unebenheiten 13 aufweist in Form von Senken oder Tälern 13a und Erhöhungen oder Bergen 13b. Diese Unebenheiten werden beim Drucken der verschiedenen Schichten 15, was insbesondere hier vorliegend Ausgleichsschichten sind, ausgeglichen. Nach der Vermessung der Grundplatte kann eine erste Schicht 15a aufgetragen werden, die an der Stelle eines Tals 13a durch mehr Materialauftrag an der Stelle 16a erzeugt wurde, als an einer Erhöhung 13b, an der weniger Material 16b aufgetragen wurde. Dies geschieht mit jeder nachfolgenden Schicht in z-Richtung, so dass schließlich die Oberfläche der letzten Ausgleichsschicht 15z eben ist. Das Werkstück selbst, in diesem Fall der Zylinder 12, kann neben den Ausgleichsschichten 15 noch weitere Schichten aufweisen, die notwendig sind, um das Werkstück zu vollenden. Diese weiteren Schichten können z. B. mit konstanter Dicke gedruckt sein.
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In 2b ist eine schräge Grundplatte 11 dargestellt, die sonst im Wesentlichen keine Unebenheiten enthält. Im vorliegenden Beispiel werden die verschiedenen Ausgleichsebenen 15 so bedruckt, dass diese Schräge im Verlauf der einzelnen Ausgleichsschichten einen immer flacheren Winkel annimmt und am Ende auf der obersten Schicht 15z eben ist. Auf der im Bild linken Seite 17a des Werkstücks, an der die Schräge tiefer nach unten reicht, muss in den einzelnen Schichten mehr Material aufgetragen werden als auf der rechten Seite 17b des Werkstücks. Somit besitzen die einzelnen Schichten bei kontinuierlichem Materialauftrag eine unterschiedliche Dicke.
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Die Ausdehnung der Gesamtheit der Ausgleichsebene 15 kann minimal gestaltet werden, wenn auf einen Materialauftrag am ganz rechten Rand 17b verzichtet wird.
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In 3a ist eine Grundplatte 11 gezeigt und eine Transformationsebene 18, mit der die Schrägheit oder Schiefe der Grundplatte abgebildet werden kann im Verhältnis zu einer gewünschten Ebene.
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3b zeigt eine schiefe Grundplatte 11, auf der das Werkstück nicht mehr in z-Richtung geformt wird, sondern in orthogonaler Richtung zur Grundplatte. Dadurch ist ein Ausgleich der Schräge nicht notwendig. Die Ausgleichsschichten 15 bzw. hier noch die Schichten 15 haben eine im Wesentlichen konstante Dicke und tragen direkt zur Formung des Werkstücks bei. Hierbei wäre darauf zu achten, dass durch den schrägen Aufbau des Werkstücks keine Prozesse stattfinden, deren ungewolltes Verformen des Werkstücks bewirken, beispielsweise ein Wegfließen des Materials in Richtung hangabwärts der Schräge. Auch ist eine Kombination der Verfahren, wie z. B. aus 2a und 3b, denkbar, falls eine Grundplatte 11 beispielsweise schräg ist, das Werkstück deswegen schräg aufgebaut werden soll, jedoch zusätzlich diese Grundplatte eine Unebenheit enthält, die eben erfindungsgemäß auszugleichen wäre.
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In 4 ist ein Sensor 21 mit einem Druckkopf 23 unbeweglich verbunden. Während der Druckkopf, bzw. der Extruder 23 das Material 24 druckt, misst der Sensor 21 den Abstand 22 zur Oberfläche des Grundträgers, bzw. der zuletzt gedruckten Schicht. Diese Messung dient dazu, die Menge an Material zu bestimmen, die der Druckkopf, wenn er an der Position des Sensors angekommen ist, extrudieren muss. In dieser Figur wäre die Bewegungsrichtung nach links, da der Sensor 21 dem Druckkopf 23 vorauslaufen sollte, um die Messung vor dem Drucken durchzuführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0023977 A1 [0002]
