WO2021073717A1 - 3d-printing device and process for producing objects with increased print quality - Google Patents

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WO2021073717A1
WO2021073717A1 PCT/EP2019/077812 EP2019077812W WO2021073717A1 WO 2021073717 A1 WO2021073717 A1 WO 2021073717A1 EP 2019077812 W EP2019077812 W EP 2019077812W WO 2021073717 A1 WO2021073717 A1 WO 2021073717A1
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Christian Georg BAUMANN
Sebastian Wimmer
Dag AGER
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Wacker Chemie Ag
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Abstract

The invention concerns a 3D-printing device which is intended for producing objects in a 3D-printing process and has at least one discharge device, which is designed to apply one or more printing compounds to a surface, layer by layer, in the form of drops and/or continuous strands. The 3D-printing device also has at least one measuring device, which is designed to determine in a contactless manner the topography of at least a partial region of the surface to be printed. Geometrical deviations on the surface can be detected before printing compound is applied and can be corrected by the distance of the drops and/or strands from one another being controlled on the basis of the topography determined. Further aspects of the invention concern a process for producing objects by using such a 3D-printing device.

Description

3D-Druckvorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Objekten mit erhöhter Druckqualität 3D printing device and method for producing objects with increased print quality
Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung zur Herstellung von Objekten im 3D-Druckverfahren, welche wenigstens eine Aus tragevorrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere Druckmassen in Form von Tropfen und/oder kontinuierli chen Strängen schichtweise auf eine Oberfläche aufzubringen. Weiterhin weist die 3D-Druckvorrichtung wenigstens eine Mess vorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche berührungslos zu bestimmen. Geometrische Abweichungen auf der Oberfläche können dabei vor der Auftragung von Druckmasse erkannt werden und durch Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie korrigiert werden. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Herstellen von Objekten unter Ein satz einer derartigen 3D-Druckvorrichtung. The invention relates to a 3D printing device for the production of objects in the 3D printing process, which has at least one carrier device that is configured to apply one or more printing compounds in the form of drops and / or continuous strands to a surface in layers. Furthermore, the 3D printing device has at least one measuring device which is set up to determine the topography of at least a partial area of the surface to be printed in a contactless manner. Geometric deviations on the surface can be recognized before the application of printing material and corrected by controlling the distance between the drops and / or strands as a function of the specific topography. Further aspects of the invention relate to a method for producing objects using such a 3D printing device.
Stand der Technik State of the art
Beim 3D-Druck werden dreidimensionale Objekte schichtweise auf gebaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Materialien nach vorgegebenen Geometrien aus dem CAD (Computer Aided Design). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Erstarrungs prozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramik und Metalle. 3D-Drucker werden in der Industrie, der Forschung und auch im Konsumentenbereich eingesetzt. Der 3D-Druck ist ein generatives Fertigungsver fahren und wird auch als additive Fertigung bezeichnet. 3D-Drucker dienen zunächst vor allem der Herstellung von Proto typen und Modellen, sowie der Herstellung von Objekten, von denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden. Wachsende Bedeu tung haben individualisierte Geometrien in Medizin und Sport, aber auch Objekte, die mit anderen Verfahren gar nicht her stellbar sind. Ein Beispiel sind Objekte mit innen liegenden GitterStrukturen . With 3D printing, three-dimensional objects are built up in layers. The construction is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to given geometries from CAD (Computer Aided Design). Physical or chemical hardening or solidification processes take place during construction. Typical materials for 3D printing are plastics, synthetic resins, ceramics and metals. 3D printers are used in industry, research and also in the consumer sector. 3D printing is a generative manufacturing process and is also known as additive manufacturing. 3D printers are primarily used to manufacture prototypes and models, as well as to manufacture objects that only require small numbers of pieces. Individualized geometries are becoming increasingly important in medicine and sport, as are objects that cannot be manufactured using other processes. An example are objects with internal grid structures.
Gegenüber dem Spritzgussverfahren hat das 3D-Drucken den Vor teil, dass das aufwendige Herstellen von Werkzeugen und Formen entfällt. Gegenüber allen das Material abtragenden Verfahren wie Schneiden und Drehen hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass die Bearbeitung der Urform entfällt und kaum Materialverlust auftritt. Compared to injection molding, 3D printing has the advantage that there is no need to manufacture tools and molds. Compared to all processes that remove the material, such as cutting and turning, 3D printing has the advantage that there is no need to process the original form and there is hardly any loss of material.
Zur Herstellung eines Objekts wird beispielsweise ein Pulver durch Aufbringen eines Härters selektiv verfestigt, wobei der Härter in einem vom herzustellenden Objekt abhängigen Muster auf das Pulver aufgetragen wird. Weitere Verfahren umfassen das Lasersintern, bei dem nach einem vorgegebenen Muster Pulver durch Aufschmelzen mit einem Laser in der gewünschten Form ver festigt wird, sowie Fused Filament Fabrication (auch: Fused Deposition Modelling), bei dem das Objekt schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff hergestellt wird. Ebenfalls bekannt sind Verfahren, bei denen Druckmasse mittels Tröpfchen dosierung (dem so genannten Jetting) oder kontinuierlichem Extrudieren eines Strangs (beim so genannten Dispens- oder Extrusions-Verfahren) abgeschieden wird und anschließend bei spielsweise durch Einwirkung von UV-Strahlung ausgehärtet oder anderweitig verfestigt wird. To produce an object, for example, a powder is selectively solidified by applying a hardener, the hardener being applied to the powder in a pattern that is dependent on the object to be produced. Other methods include laser sintering, in which powder is solidified in the desired shape by melting it with a laser, as well as fused filament fabrication (also: fused deposition modeling), in which the object is produced in layers from a meltable plastic. Also known are methods in which printing mass is deposited by means of droplet dosing (so-called jetting) or continuous extrusion of a strand (in the so-called dispensing or extrusion process) and is then cured or otherwise solidified, for example by exposure to UV radiation .
Ein großer Einflussfaktor auf die Qualität von Objekten bei der Herstellung im 3D-Druckverfahren ist eine ungleichmäßige Druck- Oberfläche, die beispielsweise durch ungleichmäßigen Material auftrag, durch Prozessschwankungen, durch Materialschwankungen, durch Maschinenfehler, durch fehlerhafte oder verschobene Bau teile oder sonstige interne und externe Einflüsse hervorge rufen wird. A major influencing factor on the quality of objects in the production in the 3D printing process is an uneven printing Surface that is caused, for example, by uneven material application, process fluctuations, material fluctuations, machine errors, faulty or displaced components or other internal and external influences.
Im Stand der Technik sind verschiedene Methoden bekannt, um Druckfehler auszugleichen. Various methods are known in the prior art for compensating for printing errors.
US 9,205,691 Bl offenbart ein System zum Kompensieren von Tropfenvolumenvariationen bei Inkjet-3D-Druckern. Die Tropfen werden durch verschiedene Düsen in Säulen aufgebracht. Eine initiale Kalibrierung ermöglicht Höhenunterschiede der Säulen einzelner Düsen untereinander auszugleichen. Dies erfolgt durch entsprechende Einstellung der Düsenparameter. Für diese Kali brierung muss die Herstellung des Objekts jedoch angehalten werden. No. 9,205,691 B1 discloses a system for compensating for drop volume variations in inkjet 3D printers. The drops are applied in columns through different nozzles. An initial calibration enables height differences between the columns of individual nozzles to be compensated for. This is done by setting the nozzle parameters accordingly. For this calibration, however, the production of the object must be stopped.
US 2015/0352781 Al offenbart ebenfalls ein System zum Kompen sieren von Tropfenvolumenvariationen bei Inkjet-3D-Druckern. Hierbei werden die Tropfensäulen der verschiedenen Düsen direkt miteinander verglichen und Höhenunterschiede in der nächsten Schicht durch Hinzufügen oder Weglassen von einzelnen Voxeln ausgeglichen. Der Ausgleich ist somit auf die kleinsten Tropfengröße und auf die jeweilige Position der Düsen beschränkt. US 2015/0352781 A1 likewise discloses a system for compensating for drop volume variations in inkjet 3D printers. The droplet columns of the different nozzles are compared directly with one another and height differences in the next layer are compensated for by adding or removing individual voxels. The compensation is therefore limited to the smallest droplet size and the respective position of the nozzles.
US 2015/0352872 Al offenbart ein System zum Kompensieren von Druckfehlern bei Inkjet-3D-Drucker. Hierbei werden die Ränder jeder Druckschichten vermessen. Ist der Durchmesser der Druck schicht zu groß, wird der digitale Durchmesser der nächsten Schicht verkleinert. Ist der Durchmesser der Druckschicht zu klein, wird der digitale Durchmesser der nächsten Schicht ver- größert. Der Ausgleich ist somit auf einzelne Schichten be schränkt . US 2015/0352872 A1 discloses a system for compensating for printing errors in inkjet 3D printers. The edges of each print layer are measured here. If the diameter of the print layer is too large, the digital diameter of the next layer is reduced. If the diameter of the print layer is too small, the digital diameter of the next layer will be increases. The compensation is therefore limited to individual layers.
Der Ausgleich von Ungleichmäßigkeiten beliebigen Ausmaßes, bei spielsweise kleiner als ein Voxel oder in beliebiger Position, ist im Stand der Technik nicht bekannt. The compensation of irregularities of any extent, for example smaller than a voxel or in any position, is not known in the prior art.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine 3D-Druckvor- richtung und eine 3D-Druckverfahren bereitzustellen, die dazu geeignet sind, ein abbildungsgetreues, maßgerechtes und reproduzierbares Objekt verbesserter Druckqualität zu erzeugen. The object of the present invention was to provide a 3D printing device and a 3D printing method which are suitable for producing a true-to-image, true-to-size and reproducible object of improved print quality.
Überraschend wurde gefunden, dass die berührungslose Bestimmung der Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedrucken den Oberfläche vorteilhaft ist, um Oberflächenabweichungen während des Druckprozesses zu erkennen, so dass diese im folgenden Materialauftragsprozess berücksichtigt werden können. Insbesondere durch Steuerung des Abstands der aufzutragenden Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie, können unerwünschte Oberflächenab weichungen an beliebiger Position und in beliebiger Größe aus geglichen werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht so die Herstellung von Objekten mit erhöhter Druckqualität. Surprisingly, it was found that the contactless determination of the topography of at least a partial area of the surface to be printed is advantageous in order to detect surface deviations during the printing process so that these can be taken into account in the subsequent material application process. In particular, by controlling the distance between the drops and / or strands to be applied depending on the particular topography, undesired surface deviations can be compensated for at any position and in any size. The present invention thus enables the production of objects with increased print quality.
Abbildungen Illustrations
Abbildung 1 zeigt ein nicht-erfindungsgemäß gedrucktes Objekt. Abbildung 2 zeigt ein erfindungsgemäß gedrucktes Objekt. Abbildung 3 zeigt Druckbereiche mit verschiedenen Tropfen abständen (A: Druckbereich mit normalen Tropfenabstand, B: Druckbereich mit erhöhtem Tropfenabstand, C: Druckbereich mit reduziertem Tropfenabstand). Beschreibung der Erfindung Figure 1 shows an object not printed in accordance with the invention. Figure 2 shows an object printed according to the invention. Figure 3 shows print areas with different drop spacing (A: print area with normal drop spacing, B: print area with increased drop spacing, C: print area with reduced drop spacing). Description of the invention
Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung zur Herstellung von Objekten im 3D-Druckverfahren umfassend The invention relates to a 3D printing device for producing objects in a 3D printing process
- wenigstens eine Austragevorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere Druckmassen in Form von Tropfen und/oder kontinuierlichen Strängen schichtweise auf eine Oberfläche aufzubringen, und - At least one discharge device which is set up to apply one or more printing masses in the form of drops and / or continuous strands in layers to a surface, and
- wenigstens eine Messvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche berührungslos zu bestimmen, und- At least one measuring device which is set up to determine the topography of at least a partial area of the surface to be printed in a contactless manner, and
- wenigstens eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Abstand der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie der Ober fläche zu steuern. - At least one control device which is set up to control the distance between the drops and / or strands as a function of the specific topography of the upper surface.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts durch schichtweises Aufbringen von einer oder mehreren Druckmassen in Form von Tropfen und/oder kontinuierlichen Strängen auf eine Oberfläche unter Einsatz der oben genannten 3D-Druckvorrichtung, umfassend Another aspect of the invention relates to a method for producing an object by applying one or more printing compounds in layers in the form of drops and / or continuous strands to a surface using the above-mentioned 3D printing device, comprising
- berührungslose Bestimmung der Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche, und- contactless determination of the topography of at least a partial area of the surface to be printed, and
- Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topo grafie. - Control of the distance between the drops and / or strands depending on the particular topography.
Da die erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung bevorzugt zur Aus führung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, ist die nachfolgende Beschreibung so zu verstehen, dass im Rahmen der 3D-Druckvorrichtung beschriebene Merkmale gleichermaßen für das Verfahren offenbart werden und umgekehrt im Rahmen des Ver fahrens beschriebenen Merkmale gleichermaßen für die 3D- Druckvorrichtung offenbart werden. Since the 3D printing device according to the invention is preferably set up to carry out the method according to the invention, the following description is to be understood in such a way that features described in the context of the 3D printing device are equally applicable to the method are disclosed and, conversely, features described in the context of the method are disclosed equally for the 3D printing device.
Die 3D-Druckvorrichtung umfasst typischerweise eine Basis platte, auf der das Objekt durch Austragen von Druckmasse aus der mindestens einen Austragevorrichtung aufgebaut wird. Basis platte und Austragevorrichtung werden hierbei relativ zueinan der bewegt, wobei Relativbewegungen in allen drei Raumrich tungen X, Y und Z möglich sind. Hierzu kann beispielsweise die Austragevorrichtung derart angeordnet sein, dass diese in X- und Y-Richtung beweglich ist und die Basisplatte kann derart angeordnet sein, dass diese in Z-Richtung beweglich ist. Auch weitere Konfigurationen sind hierbei denkbar, beispielsweise kann die Basisplatte in Y-Richtung beweglich angeordnet werden und die Austragevorrichtung kann derart angeordnet werden, dass diese in X- und Z-Richtung beweglich ist. Alternativ oder zu sätzlich hierzu kann vorgesehen sein, die Basisplatte und/oder die Austragevorrichtung schwenkbar auszugestalten, so dass be liebige Raumanordnungen möglich sind. The 3D printing device typically comprises a base plate on which the object is built up by dispensing printing compound from the at least one dispensing device. The base plate and discharge device are moved relative to one another, with relative movements in all three spatial directions X, Y and Z being possible. For this purpose, for example, the discharge device can be arranged in such a way that it is movable in the X and Y directions and the base plate can be arranged in such a way that it is movable in the Z direction. Other configurations are also conceivable here, for example the base plate can be arranged to be movable in the Y direction and the discharge device can be arranged in such a way that it is movable in the X and Z directions. As an alternative or in addition to this, provision can be made for the base plate and / or the discharge device to be designed to be pivotable, so that any spatial arrangements are possible.
Bevorzugt werden die Druckmassen von einer in X, Y, Z- Richtung beweglichen Austragevorrichtung auf eine in X, Y, Z- Richtung bewegliche Basisplatte aufgebracht. Alternativ können die Aus tragevorrichtung und/oder die Basisplatte auch nur in einer und/oder zwei Raumrichtungen und/oder einer Mischform aus allen drei Raumrichtungen bewegt werden. Zusätzlich ist es in einer weiteren Ausführungsvariante möglich eine der beiden Komponen ten unbeweglich auszuführen und nur die zweite Komponente zu bewegen, d.h. entweder ist die Basisplatte beweglich und die Austragevorrichtung ortsfest ausgestaltet oder die Basisplatte ist ortsfest und die Austragevorrichtung ist beweglich ausge staltet. Um mit den ausgetragenen Druckmassen ein Objekt aufzubauen, werden die Druckmassen gemäß einem vorgegebenen Schema auf der Basisplatte abgelegt, wobei beispielsweise eine erste Material schicht ausgebildet wird. Nach dem Ausbilden der ersten Mate rialschicht kann z. B. der Abstand zwischen der Austragevor richtung und der Basisplatte vergrößert und es wird die nächste Materialschicht ausgebracht. Es können weitere Materialschich ten folgen, die jeweils nach einem vorgegebenen Schema abgelegt werden, bis das gewünschte Objekt fertiggestellt ist. Dies wird auch als generative Erzeugung des Objekts bezeichnet. The printing masses are preferably applied by a dispensing device that can be moved in the X, Y, Z directions onto a base plate that is movable in the X, Y, Z directions. Alternatively, the carrying device and / or the base plate can also only be moved in one and / or two spatial directions and / or a mixed form of all three spatial directions. In addition, in a further variant it is possible to make one of the two components immovable and only move the second component, ie either the base plate is movable and the discharge device is fixed or the base plate is fixed and the discharge device is movable. In order to build up an object with the discharged printing masses, the printing masses are deposited on the base plate according to a predetermined scheme, with a first material layer being formed, for example. After forming the first mate rialschicht z. B. the distance between the Austragevor direction and the base plate is increased and the next layer of material is applied. Further layers of material can follow, each of which is deposited according to a predetermined scheme until the desired object is completed. This is also known as generative creation of the object.
Das Austragen der Druckmassen erfolgt nach einem Schema, welches aus einer Vorlage abgeleitet wird. Die Vorlage wird mit einer CAD-Software (Computer-Aided Design, rechnerunterstütztes Konstruieren) entworfen oder wird beispielsweise durch drei dimensionales Scannen eines Gegenstands erstellt. Zur Ableitung des Schemas für den Materialaustrag berechnet die Software typischerweise horizontale Schnitte der Vorlage, wobei jeder dieser Schnitte einer oder mehreren Materialschichten ent sprechen kann. Im Anschluss wird berechnet, wie die Druckmassen in der jeweiligen Schicht platziert werden müssen. Hierbei wird berücksichtigt, ob der Austrag der Druckmassen in Form von Voxeln, in Form von Strängen oder in einer Kombination aus Voxeln und Strängen erfolgt. The printing materials are discharged according to a scheme that is derived from a template. The template is designed using CAD software (computer-aided design, computer-aided design) or is created, for example, by three-dimensional scanning of an object. To derive the pattern for the material discharge, the software typically calculates horizontal sections of the template, each of these sections being able to correspond to one or more layers of material. Then it is calculated how the printing materials have to be placed in the respective layer. This takes into account whether the printing mass is discharged in the form of voxels, in the form of strands or in a combination of voxels and strands.
Gegebenenfalls wird beim Ableiten des Schemas auch das Setzen von Stützmaterial eingeplant. Das Setzen von Stützmaterial kann erforderlich sein, wenn das herzustellende Objekt Hohlräume, Hinterschnitte, überhängende, freitragende oder dünnwandige Teile aufweisen soll, da die Druckmassen nicht frei im Raum schwebend gesetzt werden können. Das Stützmaterial füllt während des Druckprozesses Raumvolumina aus und dient als Basis oder als Gerüst, um darauf die Druckmassen setzen und aushärten zu können. Das Stützmaterial wird nach Beendigung des Druck prozesses wieder entfernt und gibt die Hohlräume, Hinter schnitte sowie überhängenden, freitragenden oder dünnwandigen Partien des Objekts frei. In der Regel wird als Stützmaterial ein von dem Material des zu druckenden Objekts abweichendes Material verwendet, z. B. nicht vernetzendes und nicht kohä- sives Material. Abhängig von der Geometrie des Objekts wird die notwendige Form des Stützmaterials berechnet. Bei der Berech nung der Form des Stützmaterials können verschiedene Strategien eingesetzt werden, um beispielsweise möglichst wenig Stütz material zu verwenden oder um die Maßhaltigkeit des Produktes zu erhöhen. If necessary, the placement of support material is also planned when deriving the scheme. The setting of support material may be necessary if the object to be produced is to have cavities, undercuts, overhanging, self-supporting or thin-walled parts, since the printing masses cannot be set freely floating in space. The support material fills space during the printing process and serves as a basis or as a framework in order to be able to place the printing material on it and cure it. The support material is removed after the printing process is complete and reveals the cavities, undercuts and overhanging, self-supporting or thin-walled parts of the object. As a rule, a material different from the material of the object to be printed is used as the support material, e.g. B. non-crosslinking and non-cohesive material. The necessary shape of the support material is calculated depending on the geometry of the object. When calculating the shape of the support material, various strategies can be used, for example to use as little support material as possible or to increase the dimensional accuracy of the product.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens umfassen die Druckmassen ein oder mehrere Stütz materialien, die nach Fertigstellung des Objekts wieder ent fernt werden. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the printing masses comprise one or more support materials which are removed again after the object has been completed.
Wird Stützmaterial eingesetzt, so kann der Druckkopf eine oder mehrere weitere Austragevorrichtungen für das Stützmaterial aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann für das Austragen von Stützmaterial auch ein weiterer Druckkopf mit entsprechen den Austragevorrichtungen vorgesehen sein. If support material is used, the print head can have one or more further discharge devices for the support material. As an alternative or in addition, a further print head with corresponding discharge devices can also be provided for the discharge of support material.
Die Druckmasse kann Masse zur Erzeugung eines dauerhaften Bau teils sein, insbesondere Silicon, oder sie kann Stützmaterial sein, das für temporär erzeugte Teile oder Bereiche benötigt wird, insbesondere in Form von z. B. Polyethylenglycol (PEG) oder Polyvinylalkohol (PVAL). Besonders geeignet sind Stützmaterialien, wie sie in WO 2017/020971 Al, WO 2018/036640 Al, WO 2018/153467 Al und WO 2019/185135 Al beschrieben sind. The printing mass can be mass to produce a permanent construction part, in particular silicone, or it can be support material that is required for temporarily created parts or areas, especially in the form of z. B. polyethylene glycol (PEG) or polyvinyl alcohol (PVAL). Support materials as described in WO 2017/020971 A1, WO 2018/036640 A1, WO 2018/153467 A1 and WO 2019/185135 A1 are particularly suitable.
Besonders bevorzugt als Stützmaterial sind Zusammensetzungen, enthaltend Compositions containing are particularly preferred as support material
(A) wenigstens einen Polyether, (A) at least one polyether,
(B) mindestens ein partikuläres rheologisches Additiv, und(B) at least one particulate rheological additive, and
(C) optional weitere Zusatzstoffe. (C) optionally other additives.
Vorzugsweise wird der Polyether ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenglycol, Polypropylenglycol, Poly- ethylenglycol-Polypropylenglycol-Copolymerisaten und deren Monoethern sowie Mischungen der vorgenannten Polyether. The polyether is preferably selected from the group consisting of polyethylene glycol, polypropylene glycol, polyethylene glycol-polypropylene glycol copolymers and their monoethers and mixtures of the aforementioned polyethers.
Als partikuläre Rheologieadditive werden vorzugsweise feste, feinteilige anorganische Partikel eingesetzt. Solid, finely divided inorganic particles are preferably used as particulate rheology additives.
Besonders bevorzugte partikuläre Rheologieadditive sind Alumi- nium(III)-, Titan(IV)- und Silicium (IV)oxide, wie beispiels weise gefällte Kieselsäuren oder Kieselgele, oder pyrogen her gestellte Aluminiumoxide, Titandioxide, Siliciumdioxide oder Kieselsäure. Insbesondere bevorzugt ist pyrogene Kieselsäure. Particularly preferred particulate rheology additives are aluminum (III), titanium (IV) and silicon (IV) oxides, such as, for example, precipitated silicas or silica gels, or pyrogenic aluminum oxides, titanium dioxides, silicon dioxides or silicic acid. Fumed silica is particularly preferred.
Andere geeignete partikuläre Rheologieadditive sind Silikate, Aluminate oder Titanate, oder Aluminiumschichtsilikate, wie Bentonite, wie Montmorillonite, oder Smektite oder Hektorite. Other suitable particulate rheological additives are silicates, aluminates or titanates, or aluminum sheet silicates, such as bentonites, such as montmorillonites, or smectites or hectorites.
Die Austragevorrichtung der vorliegenden Erfindung ist vorzugs weise eingerichtet, in Richtung der Austragsachse Druckmassen in Form einzelner isolierter Tropfen, als Tropfenreihe oder in Form eines Strangs abzugeben. Fließende Übergänge zwischen diesen Formen sind möglich. Im Rahmen dieser Beschreibung wird ein aus der Austragevorrichtung ausgetragener und auf der zu bedruckenden Oberfläche (z.B. der Basisplatte bzw. auf dem Objekt oder Fremdbauteil) gesetzter Tropfen einer Druckmasse als Voxel bezeichnet. Mit Strang wird sowohl ausgetretene und noch nicht gesetzte als auch gesetzte Druckmasse in Strangform bezeichnet. Unter einer gesetzten Druckmasse wird sowohl ein Voxel als auch ein Strang verstanden. The discharge device of the present invention is preferably set up to discharge printing masses in the direction of the discharge axis in the form of individual isolated drops, as a row of drops or in the form of a strand. Smooth transitions between these forms are possible. In the context of this description a drop of a printing compound discharged from the discharge device and placed on the surface to be printed (for example the base plate or on the object or foreign component) is referred to as a voxel. A strand is used to denote both leaked and not yet set as well as set printing mass in strand form. A set printing mass is understood to mean both a voxel and a strand.
Zur Abgabe einzelner Tropfen kann die Austragevorrichtung eine oder mehrere Düsen umfassen, die Flüssigkeitstropfen aus Druck masse in Richtung der Basisplatte emittieren, ähnlich wie es die Ventile bzw. Düsen eines Tintenstrahldruckers tun. Daher werden diese Ventile bzw. Düsen auch als Jetting-Ventile bzw. Jetting-Düsen bezeichnet. Die beiden Bezeichnungen werden in dieser Beschreibung synonym verwendet. For the delivery of individual drops, the dispensing device can comprise one or more nozzles which emit drops of liquid from printing mass in the direction of the base plate, similar to how the valves or nozzles of an inkjet printer do. These valves or nozzles are therefore also referred to as jetting valves or jetting nozzles. The two terms are used synonymously in this description.
Zur Abgabe von Strängen aus Druckmasse wird die Druckmasse mittels Druckbeaufschlagung eines Vorratsbehälters, z.B. aus einer Kartusche, Spritze oder einem Fass, durch eine Düse als Strang herausgepresst und auf der Basisplatte zum Objekt selek tiv abgeschieden. Derartige Austragevorrichtungen werden im Rahmen dieser Beschreibung als Dispenser bezeichnet. Alternativ kann die Druckmasse auch über eine Fördereinrichtung aus dem Vorratsbehälter zur Düse gefördert werden. Dies kann z.B. durch eine Pumpe und/oder ein Unterdruckverfahren erfolgen. In order to dispense strands of printing mass, the printing mass is pressed out as a strand through a nozzle by applying pressure to a storage container, e.g. from a cartridge, syringe or barrel, and selectively deposited on the base plate to form the object. Such discharge devices are referred to as dispensers in the context of this description. Alternatively, the printing mass can also be conveyed from the storage container to the nozzle via a conveying device. This can be done, for example, by a pump and / or a vacuum process.
Es können mehrere, auch technisch unterschiedliche Austragevor richtungen in der 3D-Druckvorrichtung vorgesehen sein. So kann die 3D-Druckvorrichtung eine oder mehrere ggf. unterschiedlich ausgestaltete oder unterschiedlich betriebene Jetting-Düsen und/oder einen oder mehrere ggf. unterschiedlich ausgestaltete oder unterschiedlich betriebene Dispenser aufweisen. Die Aus tragevorrichtung kann auch Düsen- oder Dispenserarrays aufweisen, die mehrere Tropfen bzw. Stränge gleichzeitig ab geben können. Die Austragevorrichtungen können dazu eingerich tet sein, je nach Bedarf jeweils die gleiche Druckmasse und/oder unterschiedliche Druckmassen aufzubringen. Several, also technically different, delivery devices can be provided in the 3D printing device. For example, the 3D printing device can have one or more jetting nozzles that may be configured differently or operated differently and / or one or more dispensers that may be configured differently or operated differently. From the carrying device can also nozzle or dispenser arrays have that can give several drops or strands at the same time. The discharge devices can be set up to apply the same printing mass and / or different printing masses as required.
Insbesondere kann ein Druckkopf mehrere verschiedene Austrage vorrichtungen aufweisen, z.B. eine oder mehrere Jetting-Düsen und/oder einen oder mehrere Dispenser. Hierbei können bei spielsweise über den oder die Dispenser schnell die Druckmassen im Inneren des Objekts gesetzt werden und mit der oder den Jetting-Düsen in hoher Qualität die Oberfläche des Objekts her gestellt werden. Alternativ ist es denkbar, dass der Druckkopf mehrere gleichartige Austragevorrichtungen umfasst. Hierdurch können beispielsweise mehrere Objekte gleichzeitig generativ hergestellt werden oder es kann mit mehreren Austragevorrich- tungen parallel an dem Aufbau eines einzelnen Objekts gearbei tet werden. In beiden Fällen wird die insgesamt erforderliche Druckdauer reduziert. In particular, a print head can have several different discharge devices, e.g. one or more jetting nozzles and / or one or more dispensers. Here, for example, the pressure masses can be quickly set inside the object using the dispenser or dispensers and the surface of the object can be produced in high quality using the jetting nozzle or nozzles. Alternatively, it is conceivable that the print head comprises several similar discharge devices. In this way, for example, several objects can be produced generatively at the same time, or several discharge devices can be used to work on the construction of an individual object in parallel. In both cases, the total printing time required is reduced.
Die jeweilige Austragevorrichtung weist eine Austragsachse auf, die die Richtung angibt, in die Material aus der Austragevor richtung ausgetragen wird. Üblicherweise ist die Austragsachse derart mit Bezug zur Basisplatte orientiert, dass diese senk recht zur Basisplatte steht. Optional kann vorgesehen sein, dass die 3D-Druckvorrichtung derart konfiguriert ist, dass auch die Ausrichtung der Austragsachse relativ zur Basisplatte ver ändert werden kann. The respective discharge device has a discharge axis which indicates the direction in which material is discharged from the discharge device. The discharge axis is usually oriented in relation to the base plate in such a way that it is perpendicular to the base plate. It can optionally be provided that the 3D printing device is configured in such a way that the alignment of the discharge axis relative to the base plate can also be changed.
Bevorzugt weist der Druckkopf eine oder mehrere Jetting-Düsen auf. Die Jetting-Düsen sind derart eingerichtet, dass diese, auf Anforderung, kontrolliert einen oder mehrere Tropfen ab geben. Es kann beispielsweise ein Heizelement in der Jetting-Düse vor gesehen sein, mit dem die Druckmasse erhitzt wird und ein Tropfen von einer entstehenden Dampfblase aus der Jetting-Düse getrieben wird, dies ist als Bubble-Jet bekannt. The print head preferably has one or more jetting nozzles. The jetting nozzles are set up in such a way that, on request, they dispense one or more drops in a controlled manner. For example, a heating element can be seen in the jetting nozzle, with which the printing mass is heated and a drop is driven out of the jetting nozzle by a resulting vapor bubble, this is known as a bubble jet.
Eine weitere Möglichkeit ist das Anordnen eines Piezoelements, welches sich aufgrund einer elektrischen Spannung verformt und hierdurch einen Tropfen aus einer Jetting-Düse pressen kann. Derartige Tintenstrahldruckverfahren sind dem Fachmann aus dem klassischen Druck und aus dem sogenannten 3D-Druck, bei dem aus einer fotopolymerisierbaren Tinte dreidimensionale Gegenstände schichtweise aufgebaut werden, grundsätzlich bekannt. Derartige Druckköpfe, wie sie im Tintenstrahldruck oder in Multijet-3D- Druck eingesetzt werden, können auch niederviskose Drucktinten bzw. Druckmassen dosieren, z.B. solche mit Viskositäten unter 50 mPa ·s. Another possibility is the arrangement of a piezo element, which is deformed due to an electrical voltage and can thus press a drop out of a jetting nozzle. Inkjet printing processes of this type are known in principle to the person skilled in the art from classical printing and from so-called 3D printing, in which three-dimensional objects are built up in layers from a photopolymerizable ink. Such print heads, as used in inkjet printing or in multijet 3D printing, can also dose low-viscosity printing inks or printing materials, e.g. those with viscosities below 50 mPas.
In den Druckköpfen der 3D-Druckvorrichtung werden bevorzugt Austragevorrichtungen eingesetzt, die auf Jet-Ventilen mit Piezoelementen basieren. Diese ermöglichen das Austragen sowohl niedrigviskoser Materialien, wobei Tropfenvolumen für Tropfen von einigen wenigen Pikolitern (pL) (2 pL entsprechen einem Tropfendurchmesser von ca. 0,035 ym) realisiert werden können, als auch mittel- und hochviskoser Materialien wie insbesondere Siliconkautschukmassen, wobei Piezo-Druckköpfe mit einem Düsen durchmesser zwischen 50 und 500 ym bevorzugt werden und Tropfenvolumen im Nanoliter-Bereich (1 bis 100 nL) erzeugt werden können. Mit niedrigviskosen Massen (< 100 mPa -s) können diese Druckköpfe Tröpfchen mit sehr hoher Dosierfrequenz ab geben (ca. 1 - 30 kHz), während mit höherviskosen Massen (> 100 Pa-s) in Abhängigkeit von den rheologischen Eigenschaften (scherverdünnendes Verhalten) Dosierfrequenzen bis zu ca. 500 Hz erzielt werden können. Mit neueren Dosierungstechnologien können für höherviskose Massen mittlerweile auch bis zu 3.000 Hz erzielt werden. Geeignete Jetting-Düsen werden beispiels weise in DE 102011 108 799 Al beschrieben. Discharge devices based on jet valves with piezo elements are preferably used in the print heads of the 3D printing device. These enable the discharge of both low-viscosity materials, drop volumes for drops of a few picoliters (pL) (2 pL corresponds to a drop diameter of approx. 0.035 μm), as well as medium and high-viscosity materials such as silicone rubber compounds in particular, with piezo print heads with a nozzle diameter between 50 and 500 μm are preferred and drop volumes in the nanoliter range (1 to 100 nL) can be generated. With low-viscosity materials (<100 mPa-s), these print heads can emit droplets with a very high dosing frequency (approx. 1 - 30 kHz), while with higher-viscosity materials (> 100 Pa-s), depending on the rheological properties (shear-thinning behavior) Dosing frequencies up to approx. 500 Hz can be achieved. With newer dosing technologies meanwhile, up to 3,000 Hz can also be achieved for higher viscosity materials. Suitable jetting nozzles are described, for example, in DE 102011 108 799 A1.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Jetting-Düsen kann beim Austrag der Druckmasse das Volumen des Tropfens beeinflusst werden, so dass Tropfen unterschiedlicher Größe erzeugt werden können. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann vorgesehen sein, dass einige Jetting-Düsen, z.B. eines Düsenarrays, mit unter schiedlichen Düsengrößen ausgestaltet sind. Mit kleinen Tropfen lassen sich genauere Kanten erzeugen und z. B. ein Oberflächen finish an den Seitenflächen des Objekts nach einem Drehen des Objekts durchführen. In preferred embodiments of the jetting nozzles, the volume of the drop can be influenced when the printing mass is discharged, so that drops of different sizes can be generated. As an alternative or in addition to this, it can be provided that some jetting nozzles, e.g. of a nozzle array, are designed with different nozzle sizes. With small drops, more precise edges can be created and z. B. perform a surface finish on the side surfaces of the object after rotating the object.
In einem Dispenser erfolgt der Druckaufbau z.B. mittels Luft druck oder mechanisch, z.B. durch einen kleinen Extruder, mittels einer Kolbenpumpe oder mittels einer Exzenterschnecke. Verschiedene Ausführungsformen sind dem Fachmann bekannt. In a dispenser, the pressure is built up e.g. by means of air pressure or mechanically, e.g. by a small extruder, by means of a piston pump or by means of an eccentric screw. Various embodiments are known to those skilled in the art.
Im Fall einer Jetting-Düse als Austragevorrichtung wird durch eine Steuereinrichtung vorgegeben, wann die Jetting-Düse einen Voxel austrägt. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass durch die Steuereinrichtung die Größe des Voxels vorgegeben wird. Es kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit der Messergebnisse der Messvorrichtung die Parameter der Jetting-Düse, welche die Voxeigröße beeinflussen, angepasst werden. Derartige Parameter können z. B. die Öffnungszeiten des Jettingventils umfassen, oder, falls die Düse Stößeltechnik aufweist, eine Stößelhub geschwindigkeit, Stößelsenkgeschwindigkeit, die Stößelverweil zeit an einem bestimmten Punkt und den Stößelhub. Diese Para meter müssen nicht linear bzw. konstant sein, die Geschwindig keiten können also während der Bewegung variiert werden. In the case of a jetting nozzle as the discharge device, a control device specifies when the jetting nozzle discharges a voxel. Furthermore, it can be provided that the size of the voxel is specified by the control device. It can be provided that the parameters of the jetting nozzle, which influence the voxe size, are adapted as a function of the measurement results of the measurement device. Such parameters can e.g. B. include the opening times of the jetting valve, or, if the nozzle has ram technology, a ram stroke speed, ram lowering speed, the ram dwell time at a certain point and the ram stroke. These parameters do not have to be linear or constant, so the speeds can be varied during the movement.
Hierbei spricht man auch von Parameterkurven. Die Parameter der Jetting-Düse, welche die Voxeigröße beein flussen, können auch bei einem etwaigen Nachdruck fehlerhaft nicht-gesetzter Voxel, z. B. beim Auffüllen von Fehlstellen kurzfristig angepasst werden, um den Nachdruck zu optimieren. This is also referred to as parameter curves. The parameters of the jetting nozzle, which influence the voxel size, can also be used in the event of a reprint of incorrectly non-set voxels, e.g. B. can be adjusted at short notice when filling up imperfections in order to optimize the reprint.
Eine weiterer wichtiger Einflussparameter ist die mögliche Temperierung der Druckmassen. Nach Bedarf können die Druck massen aufgeheizt werden. Dies kann an unterschiedlichen Stellen im Prozess erfolgen, z.B. im Materialspeicher, in der Materialzuführung und/oder im Ventil/in der Düse selbst. Another important influencing parameter is the possible temperature control of the printing masses. If necessary, the printing masses can be heated up. This can take place at different points in the process, e.g. in the material storage, in the material feed and / or in the valve / nozzle itself.
Im Fall eines Dispensers als Austragevorrichtung wird durch die Steuereinrichtung vorgegeben, wann der Dispenser mit dem Aus tragen von Druckmasse in Form eines Strangs beginnt und wann das Austragen beendet wird. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Volumenstrom, also der Druckmassenvolumenaustrag pro Zeiteinheit, durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird. Es kann vorgesehen sein, in Abhängigkeit der Messergebnisse der Messvorrichtung die Parameter des Dispensers, welche die Strangform beeinflussen, anzupassen, um die Druckqualität zu erhöhen. Derartige Parameter des Dispensers können die Durch flussrate, Zuführgeschwindigkeit, Aufheiz-Temperatur und den Vordruck im Materialspeicher umfassen. In the case of a dispenser as a discharge device, the control device specifies when the dispenser begins to carry off printing mass in the form of a strand and when the discharge is ended. Furthermore, it can be provided that the volume flow, that is to say the pressure mass volume discharge per unit of time, is specified by the control device. Provision can be made for the parameters of the dispenser, which influence the strand shape, to be adapted as a function of the measurement results of the measuring device in order to increase the print quality. Such parameters of the dispenser can include the flow rate, feed speed, heating temperature and the pre-pressure in the material reservoir.
Bei der verwendeten Druckmasse handelt es sich bevorzugt um ein Material, welches zumindest während der Verarbeitung in einer fließfähigen Form vorliegt und nach dem Austrag ausgehärtet werden kann. Die unvernetzten Materialien bleiben vorzugsweise bis zu ihrer Aushärtung fließfähig, so dass die Tropfen und/oder Stränge der Druckmassen sich nach ihrem Austrag vor der Aushärtung miteinander verbinden können. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Aushärtung der Druckmassen mittels Strahlung oder Wärmeeinwirkung erfolgt, besonders bevorzugt ortsselektiv oder flächig mittels Strahlung oder Wärmeeinwirkung. Bevorzugt werden Druckmassen eingesetzt, die sich nach dem Setzen durch Einwirkung von Strahlung oder Wärme aushärten lassen. The printing compound used is preferably a material which is present in a flowable form at least during processing and which can be cured after discharge. The uncrosslinked materials preferably remain flowable until they harden, so that the drops and / or strands of the printing masses can bond with one another after they have been discharged before hardening. It is preferably provided that the printing materials are cured by means of radiation or the action of heat, particularly preferably in a location-selective manner or over a large area by means of radiation or the action of heat. Preference is given to using printing materials which, after setting, can be cured by the action of radiation or heat.
Bevorzugt umfassen die Druckmassen im erfindungsgemäßen Ver fahren eine oder mehrere vernetzbare Siliconkautschukzusammen setzungen. The printing compositions in the inventive method preferably comprise one or more crosslinkable silicone rubber compositions.
Besonders bevorzugt weist wenigstens eine Siliconkautschu kzusammensetzung eine Viskosität von 10 Pa-s oder mehr, bevor zugt 40 Pa-s oder mehr, besonders bevorzugt 100 Pa-s oder mehr, ganz besonders bevorzugt 200 Pa-s oder mehr, auf, jeweils gemessen bei 25°C und einer Scherrate von 0,5 s_1. Particularly preferably, at least one silicone rubber composition has a viscosity of 10 Pa · s or more, preferably 40 Pa · s or more, particularly preferably 100 Pa · s or more, very particularly preferably 200 Pa · s or more, measured in each case at 25 ° C and a shear rate of 0.5 s _1 .
Zur Messung der Viskosität eignet sich insbesondere ein Rheometer mit Platte-Platte-Geometrie (25 mmm) bei einer Spalt weite von 300 ym. A rheometer with a plate-plate geometry (25 mm) with a gap width of 300 μm is particularly suitable for measuring the viscosity.
Besonders bevorzugt umfassen die Druckmassen eine oder mehrere durch elektromagnetische Strahlung, vorzugweise UV-Strahlung, vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzungen. The printing compounds particularly preferably comprise one or more silicone rubber compositions which can be crosslinked by electromagnetic radiation, preferably UV radiation.
Bevorzugt umfasst das Verfahren die Vernetzung oder Anver netzung der Druckmasse durch elektromagnetische Strahlung nach Auftragung der Druckmasse. Die 3D-Druckvorrichtung umfasst dazu vorzugsweise eine Quelle für elektromagnetische Strahlung, die für die Vernetzung oder Anvernetzung der Druckmasse eingerich tet ist. Bevorzugt wird die Vernetzung oder Anvernetzung thermisch und/oder durch UV- oder UV-VIS-Licht induziert. The method preferably comprises the crosslinking or interlinking of the printing material by means of electromagnetic radiation after the printing material has been applied. For this purpose, the 3-D printing device preferably comprises a source of electromagnetic radiation which is set up for cross-linking or partial cross-linking of the printing material. The crosslinking or partial crosslinking is preferably induced thermally and / or by UV or UV-VIS light.
Weiterhin umfassen die Druckmassen vorzugsweise eines oder mehrere der folgenden Materialien: Silicongele, Siliconharze, Homopolymere oder Copolymere aus Monomeren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylaten, Olefinen, Epoxiden, Isocyanaten oder Nitrilen, sowie Polymermischungen umfassend eines oder mehrere der vorgenannten Polymere. Furthermore, the printing compounds preferably comprise one or more of the following materials: silicone gels, silicone resins, homopolymers or copolymers of monomers selected from the group consisting of acrylates, olefins, epoxides, isocyanates or nitriles, as well as polymer mixtures comprising one or more of the aforementioned polymers.
Insbesondere umfassen die Druckmassen Kombinationen der vor genannten Materialien in Kombination mit den oben genannten Siliconkautschukzusammensetzungen . In particular, the printing materials comprise combinations of the aforementioned materials in combination with the aforementioned silicone rubber compositions.
Besonders geeignet sind Siliconkautschukzusammensetzungen, wie sie in WO 2017/081028 Al, WO 2017/089496 Al und WO 2017/121733 Al beschrieben sind. Silicone rubber compositions as described in WO 2017/081028 A1, WO 2017/089496 A1 and WO 2017/121733 A1 are particularly suitable.
Die Siliconkautschukzusammensetzungen umfassen vorzugsweiseThe silicone rubber compositions preferably comprise
(A) mindestens eine Organosiliciumverbindung mit mindestens zwei aliphatisch ungesättigten Gruppen pro Molekül, (A) at least one organosilicon compound with at least two aliphatically unsaturated groups per molecule,
(B) mindestens eine Organosiliciumverbindung mit mindestens zwei SiH-Gruppen pro Molekül, (B) at least one organosilicon compound with at least two SiH groups per molecule,
(C) mindestens einen Hydrosilylierungskatalysator, (C) at least one hydrosilylation catalyst,
(D) mindestens ein rheologisches Additiv wie beispielsweise die oben genannten partikulären rheologischen Additive, Silicon harze, Epoxygruppen-funktionellen Verbindungen, (D) at least one rheological additive such as the above-mentioned particulate rheological additives, silicone resins, epoxy-functional compounds,
(Poly)ethergruppen-funktionellen Verbindungen, (Poly) ether group-functional compounds,
(Poly)estergruppen-funktionellen Verbindungen oder Kombi nationen davon. (Poly) ester group-functional compounds or combinations thereof.
Beispielsweise wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren eine Druckmasse eingesetzt, die sich durch Einwirkung von aktinischer Strahlung aushärten lässt, bevorzugt durch Ein wirkung von UV/VIS-Strahlung. UV-Strahlung bzw. UV-Licht weist eine Wellenlänge im Bereich von 100 nm bis 380 nm auf, während sichtbares Licht (VIS-Strahlung) eine Wellenlänge im Bereich von 380 bis 780 nm aufweist. For example, a printing mass is used in the proposed method, which is caused by the action of Can cure actinic radiation, preferably by exposure to UV / VIS radiation. UV radiation or UV light has a wavelength in the range from 100 nm to 380 nm, while visible light (VIS radiation) has a wavelength in the range from 380 to 780 nm.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden als Druckmasse beson ders bevorzugt Siliconkautschukmassen verwendet, die durch UV/VIS-induzierte Additionsreaktion vernetzen. Gegenüber einer thermischen Vernetzung hat die UV/VIS-induzierte Vernetzung Vorteile. Zum einen können Intensität, Einwirkungszeit und Ein wirkungsort der UV/VIS-Strahlung genau bemessen werden, während das Aufheizen der ausgetragenen Druckmasse (wie auch deren an schließendes Abkühlen) durch die relativ geringe thermische Leitfähigkeit stets verzögert erfolgt. Aufgrund des intrinsisch sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Silicone führen die bei thermischer Vernetzung zwangsläufig vorhandenen Temperaturgradienten zu mechanischen Spannungen, welche die Maßhaltigkeit des gebildeten Objekts negativ beeinflussen, was im Extremfall zu inakzeptablen Formverzerrungen führen kann. In the process according to the invention, silicone rubber compounds which crosslink by UV / VIS-induced addition reactions are particularly preferred as printing compounds. Compared to thermal crosslinking, UV / VIS-induced crosslinking has advantages. On the one hand, the intensity, exposure time and location of the UV / VIS radiation can be measured precisely, while the heating of the discharged printing material (as well as its subsequent cooling) is always delayed due to the relatively low thermal conductivity. Due to the intrinsically very high coefficient of thermal expansion of silicones, the temperature gradients inevitably present during thermal crosslinking lead to mechanical stresses which negatively affect the dimensional accuracy of the object formed, which in extreme cases can lead to unacceptable shape distortions.
UV/VIS-induzierte Additions-vernetzende Siliconkautschukmassen werden beispielsweise in DE 102008 000 156 Al, DE 102008 043 316 Al, DE 102009 002 231 Al, DE 102009 027 486 Al, DE 10 2010 043 149 Al und WO 2009/027133 A2 beschrieben. Die Ver netzung kommt durch UV/VIS-induzierte Aktivierung eines licht empfindlichen Hydrosylierungskatalysators zustande, wobei Komplexe des Platins bevorzugt sind. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche lichtempfindliche Platinkatalysatoren bekannt, die unter Lichtausschluss weitgehend inaktiv sind und durch Bestrahlung mit Licht mit einer Wellenlänge von 250-500 nm in bei Raumtemperatur aktive Platin-Katalysatoren überführt werden können. Beispiele hierfür sind (h-Diolefin)(o-aryl)- Platinkomplexe (EP 0122 008 Al; EP 0561 919 Bl), Pt(II)-ß- diketonatkomplexe (EP 0398 701 Bl) und (h5- Cyclopentadie- nyl)tri (s-alkyl)Platin(IV)-Komplexe (EP 0146 307 Bl, UV / VIS-induced addition-crosslinking silicone rubber compositions are described, for example, in DE 102008 000 156 A1, DE 102008 043 316 A1, DE 102009 002 231 A1, DE 102009 027 486 A1, DE 10 2010 043 149 A1 and WO 2009/027133 A2. The crosslinking comes about through UV / VIS-induced activation of a light-sensitive hydrosylation catalyst, complexes of platinum being preferred. Numerous photosensitive platinum catalysts are known from the prior art, which are largely inactive with the exclusion of light and can be converted into platinum catalysts which are active at room temperature by irradiation with light with a wavelength of 250-500 nm. Examples are (h-diolefin) (o-aryl) - Platinum complexes (EP 0122 008 A1; EP 0561 919 B1), Pt (II) -β-diketonate complexes (EP 0398 701 B1) and (h5-cyclopentadienyl) tri (s-alkyl) platinum (IV) complexes (EP 0146 307 Bl,
EP 0358 452 Bl, EP 0561 893 Bl). Besonders bevorzugt sind MeCpPtMe3 sowie die sich davon durch Substitution der am Platin befindlichen Gruppen ableitenden Komplexe, wie beispielsweise beschrieben in EP 1050 538 Bl und EP 1803 728 Bl. Die UV/VIS- induziert vernetzenden Druckmassen können ein- oder mehr- komponentig formuliert werden. EP 0358 452 B1, EP 0561 893 B1). MeCpPtMe3 and the complexes derived therefrom by substitution of the groups on the platinum, as described, for example, in EP 1050 538 B1 and EP 1803 728 B1, are particularly preferred. The UV / VIS-induced crosslinking printing materials can be formulated in one or more components.
Die Geschwindigkeit der UV/VIS-induzierten Additionsvernetzung hängt von zahlreichen Faktoren ab, insbesondere von der Art und Konzentration des Platin-Katalysators, von der Intensität, Wel lenlänge und Einwirkungszeit der UV/VIS-Strahlung, der Transpa renz, Reflektivität, Schichtdicke und Zusammensetzung der Siliconkautschukmasse und der Temperatur. The speed of the UV / VIS-induced addition crosslinking depends on numerous factors, in particular on the type and concentration of the platinum catalyst, the intensity, wavelength and exposure time of the UV / VIS radiation, the transparency, reflectivity, layer thickness and composition the silicone rubber compound and the temperature.
Der Platin-Katalysator wird vorzugsweise in einer katalytisch ausreichenden Menge eingesetzt, so dass eine hinreichend schnelle Vernetzung bei Raumtemperatur ermöglicht wird. Vorzugsweise werden 0,1 bis 500 Gew.-ppm des Katalysators bezogen auf den Gehalt des Pt-Metalls zur gesamten Silicon kautschukmasse verwendet, vorzugsweise 0,5 bis 200 Gew.-ppm, besonders bevorzugt 1 bis 50 Gew.-ppm. The platinum catalyst is preferably used in a catalytically sufficient amount so that sufficiently rapid crosslinking is made possible at room temperature. Preferably 0.1 to 500 ppm by weight of the catalyst, based on the Pt metal content of the total silicone rubber composition, are used, preferably 0.5 to 200 ppm by weight, particularly preferably 1 to 50 ppm by weight.
Für die Aushärtung der UV/VIS-induziert additions-vernetzenden Siliconkautschukmasse wird bevorzugt Licht der Wellenlänge 240 bis 500 nm, weiter bevorzugt 250 bis 400 nm, besonders bevor zugt 350 bis 400 nm, insbesondere bevorzugt 365 nm eingesetzt. Um eine rasche Vernetzung zu erzielen, worunter eine Ver netzungszeit bei Raumtemperatur von weniger als 20 min, vor zugsweise weniger als 10 min, besonders bevorzugt weniger als 1 min verstanden werden soll, empfiehlt sich die Verwendung einer UV/VIS-Strahlungsquelle mit einer Leistung zwischen 10 mW/cm2 und 20.000 mW/cm2 , bevorzugt zwischen 30 mW/cm2 und 15.000 mW/cm2 , sowie eine Strahlungsdosis zwischen 150 mJ/cm2 und 20.000 mJ/cm2, bevorzugt zwischen 500 mJ/cm2 und 10.000 mJ/cm2 . Im Rahmen dieser Leistungs- und Dosis-Werte lassen sich flächenspezifische Bestrahlungszeiten zwischen maximal 2.000 s/cm2 und minimal 8 ms/cm2 realisieren. For curing the UV / VIS-induced addition-crosslinking silicone rubber composition, light with a wavelength of 240 to 500 nm, more preferably 250 to 400 nm, particularly preferably 350 to 400 nm, particularly preferably 365 nm is used. In order to achieve rapid crosslinking, which is to be understood as meaning a crosslinking time at room temperature of less than 20 minutes, preferably less than 10 minutes, particularly preferably less than 1 minute, the use is recommended a UV / VIS radiation source with a power between 10 mW / cm 2 and 20,000 mW / cm 2 , preferably between 30 mW / cm 2 and 15,000 mW / cm 2 , and a radiation dose between 150 mJ / cm 2 and 20,000 mJ / cm 2 , preferably between 500 mJ / cm 2 and 10,000 mJ / cm 2 . Within the scope of these power and dose values, area-specific irradiation times between a maximum of 2,000 s / cm 2 and a minimum of 8 ms / cm 2 can be achieved.
Werden Druckmassen eingesetzt, die unter UV/VIS-Einwirkung aus härten, so weist die 3D-Druckvorrichtung bevorzugt eine UV/VIS- Belichtungseinheit auf. Bei ortsselektiver Belichtung ist die UV/VIS-Quelle relativ zur Basisplatte beweglich angeordnet und beleuchtet nur ausgewählte Bereiche des Objekts. Bei einer flächigen Belichtung ist die UV/VIS-Quelle in einer Variante derart ausgestaltet, dass das gesamte Objekt bzw. eine gesamte Materialschicht des Objekts auf einmal belichtet wird. In einer bevorzugten Variante ist die UV/VIS-Quelle derart ausgebildet, ihre Lichtstärke oder ihre Energie variabel eingestellt werden kann und dass die UV/VIS-Quelle zur gleichen Zeit nur einen Teilbereich des Objekts belichtet, wobei die UV/VIS-Quelle derart relativ zu dem Objekt bewegt werden kann, dass das gesamte Objekt mit dem UV/VIS-Licht, ggf. in unterschiedlicher Intensität, belichtet werden kann. Beispielsweise ist die UV/VIS-Quelle hierzu als UV/VIS-LED Leiste ausgestaltet und wird relativ zu dem Objekt, bzw. über das gedruckte Objekt bewegt. If printing materials are used that cure under the action of UV / VIS, the 3D printing device preferably has a UV / VIS exposure unit. In the case of location-selective exposure, the UV / VIS source is arranged to be movable relative to the base plate and only illuminates selected areas of the object. In the case of a flat exposure, the UV / VIS source is designed in one variant in such a way that the entire object or an entire material layer of the object is exposed at once. In a preferred variant, the UV / VIS source is designed in such a way that its light intensity or its energy can be set variably and that the UV / VIS source only exposes a partial area of the object at the same time, the UV / VIS source being so relative can be moved to the object so that the entire object can be exposed to the UV / VIS light, possibly with different intensities. For example, the UV / VIS source is designed for this purpose as a UV / VIS LED strip and is moved relative to the object or over the printed object.
Im Fall von mittels Wärmeeinwirkung aushärtender Druckmassen kann eine Infrarotlicht-Quelle (IR) eingesetzt werden, um eine ortsselektive oder flächige Wärmebehandlung durchzuführen. In the case of printing masses that harden by means of the action of heat, an infrared light source (IR) can be used to carry out a location-selective or flat heat treatment.
Für das Durchführen der Aushärtung wird eine Aushärtestrategie verwendet. Bevorzugt erfolgt eine Aushärtung der Druckmassen nach dem Setzen einer Schicht von Druckmassen, nach dem Setzen mehrerer Schichten von Druckmassen oder direkt während des Drucks. A curing strategy is used to perform the curing. The printing materials are preferably cured after setting a layer of printing material, after setting several layers of printing material or directly during printing.
Ein Aushärten der Druckmassen direkt während des Drucks wird als direkt-Aushärtestrategie bezeichnet. Werden durch UV/VIS- Strahlung aushärtbare Druckmassen verwendet, so ist dann im Vergleich zu anderen Aushärtestrategien die UV/VIS-Quelle sehr lange aktiv, so dass mit sehr viel geringerer Intensität ge arbeitet werden kann, was zu einem langsamen Durchvernetzen des Objekts führt. Dies begrenzt die Erwärmung des Objekts und führt zu maßhaltigen Objekten, da keine Ausdehnung des Objekts aufgrund von Temperaturspitzen auftritt. Hardening of the printing masses directly during printing is referred to as a direct hardening strategy. If printing masses curable by UV / VIS radiation are used, the UV / VIS source is active for a very long time compared to other curing strategies, so that it is possible to work with much lower intensity, which leads to slow crosslinking of the object. This limits the heating of the object and leads to dimensionally stable objects, since there is no expansion of the object due to temperature peaks.
Bei der Pro-Layer-Aushärtestrategie erfolgt nach dem Setzen jeder vollständigen Materialschicht die strahlungsinduzierte Vernetzung der gesetzten Materialschicht. Während dieses Vor gangs verbindet sich die frisch gedruckte Schicht mit der aus gehärteten darunterliegenden gedruckten Schicht. Das Aushärten erfolgt nicht sofort nach dem Setzen einer Druckmasse, so dass die Druckmassen vor dem Aushärten Zeit haben, zu relaxieren. Hiermit ist gemeint, dass die Druckmassen ineinanderfließen können, wodurch eine glattere Oberfläche als bei der Direkt- Aushärtestrategie erzielt wird. With the Pro-Layer curing strategy, the radiation-induced crosslinking of the set material layer takes place after each complete material layer has been set. During this process, the freshly printed layer combines with the hardened printed layer underneath. The hardening does not take place immediately after the setting of a printing mass, so that the printing masses have time to relax before hardening. This means that the printing masses can flow into one another, which results in a smoother surface than with the direct curing strategy.
Bei der n-Layer-Aushärtestrategie wird ähnlich wie bei der Pro- Layer- Aushärtestrategie verfahren, jedoch wird das Aushärten erst nach dem Setzen von n Materialschichten vorgenommen, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die für das Relaxieren der Druck massen zur Verfügung stehende Zeit wird weiter erhöht, wodurch sich die Oberflächengüte weiter verbessert. Aufgrund des Fließens der Druckmassen kann die erzielbare Kantenschärfe jedoch abnehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Aushärtestrategie mit dem Nachdrucken fehlerhaft nicht-gesetzter Druckmassen abgestimmt. Beispielsweise kann jeweils nach dem Drucken einer Materialschicht das Nachdrucken fehlerhaft nicht-gesetzter Druckmassen erfolgen, bevor die Vernetzung der gesetzten Materialschicht nach der Pro-Layer-Aushärtestrategie bzw. n- Layer-Aushärtestrategie erfolgt. Fehlerhaft nicht-gesetzte Druckmassen können beispielsweise dadurch erkannt werden, dass eine Positionsmesseinrichtung die Verfahrwege des Druckkopfes ermittelt, ggf. laufend ermittelt, dass der Austrag der Druck masse aus der Austragevorrichtung überwacht wird und/oder dass ausgetragene Druckmasse vermessen wird. The procedure for the n-layer curing strategy is similar to that for the pro-layer curing strategy, but curing is only carried out after n layers of material have been set, where n is a natural number. The time available for relaxing the pressure masses is further increased, which further improves the surface quality. Due to the flow of the printing material, however, the edge sharpness that can be achieved can decrease. In a preferred embodiment, the curing strategy is coordinated with the reprinting of incorrectly unset printing materials. For example, after each material layer has been printed, incorrectly unset printing materials can be reprinted before the set material layer is crosslinked according to the pro-layer curing strategy or n-layer curing strategy. Incorrectly not set printing masses can be recognized, for example, by a position measuring device determining the travel paths of the print head, possibly continuously determining that the discharge of the printing mass from the discharge device is monitored and / or that discharged printing mass is measured.
Die 3D-Druckvorrichtung umfasst wenigstens eine Messvor richtung, die dazu eingerichtet ist, die Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Ober fläche berührungslos zu bestimmen, und wenigstens eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Abstand der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie der Oberfläche zu steuern. The 3D printing device comprises at least one measuring device which is set up to determine the topography of at least a partial area of the surface to be printed without contact, and at least one control device which is set up to determine the distance between the drops and / or strands as a function of one another controlled by the specific topography of the surface.
Bevorzugt ist die Messvorrichtung dazu eingerichtet, die Topo grafie der gesamten zu bedruckenden Oberfläche zu bestimmen. The measuring device is preferably set up to determine the topography of the entire surface to be printed.
Unter Topografie wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die geometrische Gestalt und Mikrostruktur der Oberfläche ver standen, die sich vor allem durch Erhebungen und Vertiefungen in der Oberfläche auszeichnet. Under topography, in the context of the present invention, the geometric shape and microstructure of the surface is understood, which is characterized primarily by elevations and depressions in the surface.
Bevorzugt ist die Messvorrichtung dazu eingerichtet, auch die räumliche Position und Lage wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche berührungslos zu bestimmen und die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, den Abstand der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Position und Lage der Oberfläche zu steuern. The measuring device is preferably set up to also determine the spatial position and location of at least one partial area of the surface to be printed in a contactless manner and to determine the The control device is set up to control the distance between the drops and / or strands as a function of the determined position and location of the surface.
Unter der räumlichen Position und Lage wird im Rahmen der vor liegenden Erfindung der Ort und die Orientierung der Oberfläche im dreidimensionalen Raum verstanden. Änderungen der Position und Lage zeichnen sich insbesondere durch Verschiebungen oder Schräglagen aus. In the context of the present invention, the spatial position and location is understood to mean the location and the orientation of the surface in three-dimensional space. Changes in position and location are characterized in particular by shifts or inclinations.
Bevorzugt umfasst die Messvorrichtung wenigstens einen Laser und wenigstens einen Sensor, die zusammen dazu eingerichtet sind, den wenigstens einen Teilbereich der Oberfläche mittels Lasertriangulation zu vermessen. The measuring device preferably comprises at least one laser and at least one sensor, which together are set up to measure the at least one partial area of the surface by means of laser triangulation.
Besonders bevorzugt ist der Laser dazu eingerichtet, Laser strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 380 nm oder mehr und 570 nm oder weniger zu erzeugen. The laser is particularly preferably set up to generate laser radiation with a wavelength in the range of 380 nm or more and 570 nm or less.
Ganz besonders bevorzugt ist der Laser dazu eingerichtet, Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 380 nm oder mehr und 490 nm oder weniger, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 380 nm oder mehr und 430 nm oder weniger, insbe sondere mit einer Wellenlänge von 405 nm, zu erzeugen. The laser is very particularly preferably set up to emit laser radiation with a wavelength in the range of 380 nm or more and 490 nm or less, very particularly preferably in the range of 380 nm or more and 430 nm or less, in particular with a wavelength of 405 nm , to create.
Ein kurzwelliger blau-violetter Laser dringt nicht in das Mess objekt ein und weist somit eine deutlich bessere Mess- /Erkennungsstabilität auf. A short-wave blue-violet laser does not penetrate the measurement object and thus has a significantly better measurement / detection stability.
Geeignete Sensoren sind im Stand der Technik bekannt. Es eignen sich unter anderem herkömmliche Bildsensoren, beispielsweise CMOS- und CCD-Sensoren. Besonders bevorzugt sind CMOS-Sensoren. Die Messvorrichtung nutzt vorzugsweise das Triangulations prinzip zur Profil-Erfassung auf unterschiedlichsten Ober flächen. Suitable sensors are known in the prior art. Conventional image sensors, such as CMOS and CCD sensors, are suitable, among other things. CMOS sensors are particularly preferred. The measuring device preferably uses the triangulation principle to record profiles on a wide variety of surfaces.
Die Bestimmung der Topografie umfasst vorzugsweise die Identi fizierung von unerwünschten Unebenheiten der Oberfläche und die Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge den Aus gleich dieser Unebenheiten. The determination of the topography preferably includes the identification of undesired unevenness of the surface and the control of the distance between the drops and / or strands to compensate for these unevenness.
Die Bestimmung der räumlichen Position und Lage umfasst vor zugsweise die Identifizierung von unerwünschten Verschiebungen und Schräglagen und Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge den Ausgleich dieser Verschiebungen und Schräglagen. The determination of the spatial position and location preferably includes the identification of undesired displacements and inclinations and control of the distance between the drops and / or strands to compensate for these displacements and inclinations.
Besonders bevorzugt wird das Tropfenvolumen und/oder die Stranggeometrie konstant gehalten. The drop volume and / or the strand geometry are particularly preferably kept constant.
Bei der Lasertriangulation wird ein Laserstrahl auf das Mess objekt fokussiert und mit einem z.B. daneben im Sensor befind lichen Fotoempfänger beobachtet. Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes vom Laserprojektor berechnet. With laser triangulation, a laser beam is focused on the measuring object and observed with a photo receiver, e.g. located next to it in the sensor. If the distance of the measuring object from the sensor changes, the angle at which the point of light is observed changes and thus the position of its image on the photo receiver. The distance between the object and the laser projector is calculated from the change in position with the help of the angle functions.
Beim Fotoempfänger handelt es sich um ein lichtempfindliches Element, das die Position des Lichtpunktes im Abbild bestimmt. Aus dieser Bildposition wird die Distanz zwischen Sensor und Objekt berechnet. The photo receiver is a light-sensitive element that determines the position of the light point in the image. The distance between the sensor and the object is calculated from this image position.
Ein Vorteil der Triangulation ist der Umstand, dass es sich um rein trigonometrische Zusammenhänge handelt. Die Messung kann darum kontinuierlich erfolgen und eignet sich damit gut zur Abstandsmessung an bewegten Objekten. One advantage of triangulation is the fact that it is purely trigonometric relationships. The measurement can therefore take place continuously and is therefore well suited for distance measurement on moving objects.
Weiterhin ist der Laser vorzugsweise dazu eingerichtet, mehrere Messpunkte in einer Reihe gleichzeitig zu erfassen. Furthermore, the laser is preferably set up to simultaneously record several measuring points in a row.
Über eine Spezialoptik wird der Laserstrahl beispielsweise zu einer statischen Laserlinie aufgeweitet und auf die Messobjekt oberfläche projiziert. Die Empfangsoptik bildet das diffus reflektierte Licht dieser Laserlinie auf einer Sensormatrix ab. Aus diesem Matrixbild wird neben den Abstandsinformationen (z- Achse) auch die Position entlang der Laserlinie (x-Achse) berechnet. Diese Punktinformationen werden dann in einem sensorfesten, zweidimensionalen Koordinatensystem ausgegeben. Bei bewegten Objekten oder bei Traversierung des Sensors können zusätzlich auch 3D-Messwerte ermittelt werden. Using special optics, the laser beam is expanded into a static laser line, for example, and projected onto the surface of the measuring object. The receiving optics reproduce the diffusely reflected light from this laser line on a sensor matrix. In addition to the distance information (z-axis), the position along the laser line (x-axis) is calculated from this matrix image. This point information is then output in a sensor-fixed, two-dimensional coordinate system. In the case of moving objects or when the sensor is traversed, 3D measurement values can also be determined.
Bevorzugt erfolgt die Bestimmung der Geometrie der zu be druckenden Oberfläche unmittelbar nach Anvernetzung oder Ver netzung der Druckmassen bzw. nach Verfestigung des Stütz materials. The geometry of the surface to be printed is preferably determined immediately after crosslinking or crosslinking of the printing materials or after solidification of the support material.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur berührungslosen Bestimmung der Topographie die abzutastende Fläche in Abtast bereiche aufgeteilt. Die Abtastbereiche entsprechen dem Voxel- durchmesser und/oder eines Bruchteils und/oder eines Vielfachen davon. In jedem Abtastbereich werden individuell Messpunkte definiert. Dies kann anhand einer festgelegten Position erfol gen und/oder durch festgelegte Parameter der Maschine. Die Ab stände zwischen den Abtastpunkten, bestimmt durch die Kombina tion aus Achsgeschwindigkeit und Abtastfrequenz, sind frei ein stellbar. Die Messung beginnt sobald die Achse den Startpunkt des Abtastbereichs erreicht und endet, wenn die Achse den End punkt des Abtastbereichs passiert. In a preferred embodiment, the surface to be scanned is divided into scanning areas for the contactless determination of the topography. The scanning areas correspond to the voxel diameter and / or a fraction and / or a multiple thereof. Individual measuring points are defined in each scanning area. This can take place on the basis of a defined position and / or defined parameters of the machine. The distances between the scanning points, determined by the combination of axis speed and scanning frequency, are freely adjustable. The measurement begins as soon as the axis reaches the starting point of the scanning range and ends when the axis passes the end point of the scanning range.
Der Messsensor liefert als Messdaten den Abstand zwischen Mess sensor und der zu messenden Oberfläche (z-Koordinaten) zurück. Die Messung wird am Sensor durch Impulse (Auslöser-Signal) mit der im Abtastbereich eingestellter Abtastfrequenz ausgelöst.The measurement sensor returns the distance between the measurement sensor and the surface to be measured (z coordinates) as measurement data. The measurement is triggered on the sensor by pulses (trigger signal) with the sampling frequency set in the sampling area.
Pro Impuls kann dabei eine Messung (Punkt) oder mehrere Messungen (Linie) parallel ausgelöst werden. Durch die Kombina tion aus Startpunkt (x,y,z), Endpunkt (x,y,z), Achsgeschwindig- keit und der definierten Abtastfrequenz können die Koordinaten der fehlenden Raumrichtungen für jeden Messpunkt oder Mess punkte eindeutig bestimmt werden (x,y-Koordinaten). Die aus dieser Messpunktwolke resultierende Topographie wird dann mit der Schicht aus dem digitalen Modell verrechnet, um die Abwei chungen von dieser Schicht bestimmen zu können. Aufgrund der Abweichungen wird dann die Folgeschicht adaptiert. One measurement (point) or several measurements (line) can be triggered in parallel per pulse. By combining the starting point (x, y, z), end point (x, y, z), axis speed and the defined sampling frequency, the coordinates of the missing spatial directions can be clearly determined for each measuring point or measuring points (x, y- Coordinates). The topography resulting from this measurement point cloud is then offset against the layer from the digital model in order to be able to determine the deviations from this layer. The subsequent shift is then adapted on the basis of the deviations.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst vorzugsweise folgende Schritte vor Auftragung der Druckmassen: The method according to the invention preferably comprises the following steps before the printing materials are applied:
Bereitstellen des Objekts in digitaler Form, wobei das digitale Objekt aus einzelnen Schichten besteht, Providing the object in digital form, whereby the digital object consists of individual layers,
Erstellung von zweidimensionalen Bildern jeder einzelnen Schicht des Objekts, wobei die zweidimensionalen Bilder jeweils aus einzelnen Pixeln bestehen, Creation of two-dimensional images of each individual layer of the object, whereby the two-dimensional images each consist of individual pixels,
Aufteilung der zweidimensionalen Bilder in Druckbereiche mit identischem Tropfenabstand oder identischem Strangabstand, wobei die Größe der Druckbereiche in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie der zu bedruckenden Oberfläche bestimmt wird. Es ist auch möglich, dass ein Druckbereich nicht aus mehreren, sondern nur aus einem einzelnen Tropfen oder einem einzelnen Strang besteht. Division of the two-dimensional images into print areas with identical drop spacing or identical strand spacing, the size of the print areas being determined as a function of the specific topography of the surface to be printed. It is also possible that a printing area does not consist of several, but only of a single drop or a single strand.
Als Eingangsdaten für den Druckprozess kann beispielsweise das zu druckende Computermodell in einem beliebigen Dateiformat hinterlegt sein. Übliche CAD-Dateiformate umfassen z.B. STL, OBJ, CLI/SLC, PLY, VRML, AMF, 3MF, STEP, IGES, IPT, IAM. Bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens wird das Modell virtuell horizontal geschnitten (sog. „slicen") und somit das Modell in Schichten aufgeteilt. Das zu druckenden Bauteil kann auch als bereits in digitale Schichten aufgeteiltes Modell oder auch als pixelbasierte Grafik übergeben und gedruckt werden. Bevorzugt wird als Eingangsdaten für den Druckprozess ein übliches CAD-Dateiformat verwendet, besonders bevorzugt STL. Jeder erzeugte Layer wird in eine pixelbasierte Grafik konver tiert. Auf dieser können dann weitere Berechnungen, beispiels weise Berechnung von Flächen für Druckmassen, durchgeführt werden. In den pixelbasierten Grafiken wird (z.B. mithilfe von Farben und/oder Schattierungen, oder auch anhand von, für den Menschen nicht sichtbaren, ausschließlich Maschinen-internen Daten) zwischen allen Materialien unterschieden. Eine pixel basierte Grafik kann keinen, einen oder mehrere Pixel für kein, ein oder mehrere Materialien enthalten. Diese pixelbasierten Grafiken werden dann in vertikale, horizontale, diagonale oder in Freiform gestaltete Druckbereiche (x,y-Dimension) und/oder in eine Außen- und/oder Innenkontur einzelner Flächen (sog. „Border") aufgeteilt. Die Breite eines Druckbereichs ist über Parameter einstellbar. Die Länge eines Druckbereichs ist unab hängig von Tropfen- oder Strangdurchmesser oder anderen Parame tern. Ein Druckbereich stellt einen Bereich mit identischem Material und identischer Tropfenanordnung und/oder identischem Tropfenabstand und/oder identischen Druckparametern dar. Ein Druckbereich wird durch Start- und Endpunkt, Achsgeschwindig- keit, Material und Druckfrequenz definiert. Abbildung 3 zeigt beispielhaft Druckbereiche mit verschiedenen Tropfenabständen. Die erzeugte Liste von Druckbereichen wird dann in Maschinen kommandos umgewandelt. Bevor die Maschine die Maschinenkom mandos abarbeitet, kann das Druckbett bzw. die zu bedruckende Oberfläche mit der Messvorrichtung abgetastet werden, um eine eventuelle Verkippung und/oder Versatz und/oder Verunreinigung auf der zu bedruckenden Oberfläche zu ermitteln und/oder die zu bedruckende Oberfläche zu identifizieren. Eine Verkippung und/oder ein Versatz wird später in die Ergebnisse des Mess systems mit eingerechnet. Ist die Verkippung oder der Versatz zu groß oder befinden sich auf der Oberfläche Verunreini gungen/Fremdkörper, so wird der additive Herstellungsprozess gestoppt. Alternativ kann die Verkippung und/oder der Versatz und/oder die Verunreinigung mit Hilfe einer Korrekturvorrich tung der 3D-Druckvorrichtung korrigiert werden. The computer model to be printed can, for example, be stored in any file format as input data for the printing process. Common CAD file formats include, for example, STL, OBJ, CLI / SLC, PLY, VRML, AMF, 3MF, STEP, IGES, IPT, IAM. When carrying out the described method, the model is virtually cut horizontally (so-called "slicing") and the model is thus divided into layers. The component to be printed can also be transferred and printed as a model already divided into digital layers or as a pixel-based graphic. A customary CAD file format is preferably used as input data for the printing process, particularly preferably STL. Each layer created is converted into a pixel-based graphic. On this, further calculations, for example calculation of areas for printing masses, can then be carried out Graphics are differentiated between all materials (e.g. with the help of colors and / or shading, or also with the help of machine-internal data that are not visible to humans). A pixel-based graphic can contain zero, one or more pixels for none, one or contain multiple materials. These pixel-based graphics will en then in vertical, horizontal, diagonal or free-form designed print areas (x, y-dimension) and / or in an outer and / or inner contour of individual surfaces (so-called. "Border"). The width of a print area can be set using parameters. The length of a print area is independent of the drop or strand diameter or other parameters. A print area represents an area with identical material and identical drop arrangement and / or identical drop spacing and / or or identical print parameters. A The print area is defined by the start and end point, axis speed, material and print frequency. Figure 3 shows an example of pressure areas with different drop spacings. The generated list of print areas is then converted into machine commands. Before the machine processes the machine commands, the print bed or the surface to be printed can be scanned with the measuring device in order to determine any tilting and / or offset and / or contamination on the surface to be printed and / or to determine the surface to be printed identify. A tilt and / or an offset will later be included in the results of the measuring system. If the tilt or the offset is too great or if there are impurities / foreign bodies on the surface, the additive manufacturing process is stopped. Alternatively, the tilting and / or the offset and / or the contamination can be corrected with the aid of a correction device of the 3D printing device.
Nach der Vermessung der zu bedruckenden Oberfläche, wird der additive Fertigungsprozess gestartet und die erste Schicht ge druckt. Nachdem eine Schicht gedruckt wurde wird diese ver netzt. Entweder vor dem Vernetzen oder nach dem Vernetzen des Materials wird die gedruckte Oberfläche mit der bereits beschriebenen Messvorrichtung vermessen. Vorzugseise wird die Oberfläche nach dem Vernetzen des Materials vermessen. Die festgestellten Abweichungen werden dann in die pixelbasierte Grafik der nächsten Druckschicht eingerechnet. Daraufhin ergeben sich für diese Fläche gegebenenfalls neue Druckbereiche und damit auch neue Maschinenkommandos. Diese aktualisierten Maschinenkommandos werden zum Beginn der nächsten Schicht der Maschine bereitgestellt. Die Schritte Drucken, Vernetzen,After the surface to be printed has been measured, the additive manufacturing process is started and the first layer is printed. After a layer has been printed, it is networked. Either before the crosslinking or after the crosslinking of the material, the printed surface is measured with the measuring device already described. The surface is preferably measured after the material has been crosslinked. The determined deviations are then included in the pixel-based graphics of the next print layer. This may result in new pressure areas and thus also new machine commands for this area. These updated machine commands are made available at the beginning of the next shift of the machine. The steps of printing, networking,
Messen werden solange ausgeführt, bis keine Schicht mehr ver arbeitet werden muss. Das Verfahren umfasst vorzugsweise folgende Schritte: Measurements are carried out until no more layers have to be processed. The method preferably comprises the following steps:
- Eingabe des digitalen Modells - Input of the digital model
- Berechnung der Maschinensteuerung pro Schicht - Calculation of the machine control per shift
- Austrag der Druckmassen in Form von Tropfen, in Form von Strängen oder in einer Kombination aus Tropfen und Strängen. - Discharge of the printing materials in the form of drops, in the form of strands or in a combination of drops and strands.
- Vermessen der gedruckten Schicht - Measure the printed layer
- Berechnung der Abweichungen vom vorgegebenen digitalen Modell - Calculation of the deviations from the given digital model
- Einrechnen der möglichen Abweichungen in die Berechnung des folgenden Prozessschritts - Include the possible deviations in the calculation of the following process step
Die Steuerung umfasst vorzugweise folgende Schritte: The control preferably comprises the following steps:
- Vermessung der Oberfläche (ein oder mehrere Messpunkte)- Measurement of the surface (one or more measuring points)
- Bestimmung der z-Position über das Messsystem, Zuordnung der gemessenen z-Positionen zu den jeweils zugehörigen x,y-Positionen - Determination of the z position via the measuring system, assignment of the measured z positions to the respective associated x, y positions
- Auswertung der Topografie, (Identifizierung von korrekten, zu hohen und/oder zu niedrigen Stellen) - Evaluation of the topography (identification of correct, too high and / or too low places)
- Berechnung der nächsten Schicht unter Berücksichtigung der vorhergehenden Bestimmung der Topographie - Calculation of the next layer taking into account the previous determination of the topography
- Materialmenge wird partiell, in Abhängigkeit der Topo graphie, an den Stellen angepasst, an denen vom Soll-Wert abgewichen wird, d.h. es erfolgt eine lokale Anpassung der Schichtstärke/Layerstärke/Layerdicke . - Depending on the topography, the amount of material is partially adjusted at the points where the target value is deviated from, i.e. the layer thickness / layer thickness / layer thickness is locally adjusted.
Die Anpassung erfolgt vorzugsweise über dynamisch angepasste Abstände von Voxeln (jeder Voxel kann einen anderen Abstand zum nächsten haben, es gibt keine Abhängigkeiten untereinander). The adaptation is preferably carried out via dynamically adapted distances between voxels (each voxel can have a different distance to the next, there are no interdependencies).
Das erfindungsgemäße Verfahren hat folgende Vorteile: Effizienz: Die Berechnung der Maschinenkommandos erfolgt im 2D- Raum und nicht im 3D-Raum. Das führt zu einer deutlich schnel leren Berechnung. Methoden im 3D-Raum sind zum Teil für große Bauteile nicht nutzbar, da zu viel Rechenzeit benötigt wird. Teilweise ist eine Berechnung sogar überhaupt nicht möglich. Hier besteht zudem ein hohes Risiko von Bauteilfehlern (z.B. auf Grund der Materialalterung im Prozess, Verfließen von bereits gesetzten Druckmassen, etc.). The method according to the invention has the following advantages: Efficiency: The machine commands are calculated in 2D space and not in 3D space. This leads to a significantly faster calculation. Methods in 3D space cannot be used to some extent for large components because too much computing time is required. In some cases, a calculation is not even possible at all. There is also a high risk of component defects here (e.g. due to material aging in the process, flow of already set printing masses, etc.).
Qualität: Die Bauteil-Geometrie wird original-(CAD-)getreu abgebildet. Mögliche Abweichungen (auf Grund von Material-, Prozess-, Maschinenfehlern) werden minimiert, verhindert, oder noch im Prozess behoben. In vielen 3D-Druck-Prozessen wird ein statischer Code abgearbeitet, der eine Inline-Quality: The component geometry is reproduced true to the original (CAD). Possible deviations (due to material, process or machine errors) are minimized, prevented or eliminated during the process. In many 3D printing processes, a static code is processed that creates an inline
Prozesskontrolle/-korrektur nicht möglich macht. Bei der vor liegenden Erfindung werden die Maschinenkommandos "live", während bzw. im Prozess erzeugt und können laufend (z.B. auf Basis von Messwerten) angepasst werden. Die Materialmenge wird partiell, in Abhängigkeit der Messung, an den Stellen ange passt, an denen vom vorgesehenen Wert abgewichen wird (durch Anpassung der Schichtstärke/Layerstärke/Layerdicke). Anpassung erfolgt über dynamisch angepasste Abstände von Voxeln (jeder Voxel kann einen anderen Abstand zum nächsten haben, keine Abhängigkeiten untereinander). Process control / correction is not possible. In the present invention, the machine commands are generated "live" during or in the process and can be continuously adapted (e.g. on the basis of measured values). Depending on the measurement, the amount of material is partially adjusted at the points at which the intended value is deviated from (by adjusting the layer thickness / layer thickness / layer thickness). Adaptation takes place via dynamically adapted distances between voxels (each voxel can have a different distance to the next, no interdependencies).
Korrekturfreiheit: Ein Bauteil kann an einer beliebigen Stelle korrigiert werden. Die Größe der Stelle ist nicht durch die Tropfengröße limitiert (vgl. Stand der Technik oben). Andere Verfahren können nur im Maßstab eines einzelnen Tropfens oder einer gesamten Schicht korrigieren, nämlich einen zusätzlichen Tropfen bzw. eine zusätzliche Schicht einfügen oder einen ganzen Tropfen bzw. eine ganze Schicht weglassen. Diese Ver fahren sind vor allem für nicht ineinanderfließende Materialen entwickelt worden. Insbesondere für Siliconkautschukzusammen setzungen sind diese Verfahren nicht geeignet. Correction freedom: A component can be corrected at any point. The size of the point is not limited by the drop size (see prior art above). Other methods can only correct on the scale of a single drop or an entire layer, namely insert an additional drop or an additional layer or omit an entire drop or an entire layer. These methods are mainly used for materials that do not flow into one another has been developed. These processes are not suitable, in particular, for silicone rubber compositions.
Messgenauigkeit: Durch die bevorzugt gleichzeitige Vermessung von multiplen Messpunkten durch einen zur Linie aufgeweiteten Laserstrahl, können Positions-Ungenauigkeiten bei der Messung vermieden werden. Die Relativ- und/oder Absolutposition des Sensors bei der gleichzeitigen Messung von mehreren Messpunkten ist identisch, so kann eine Ungenauigkeit der einzelnen Mess punkte relativ zueinander ausgeschlossen werden. Wird jeder Messpunkt jedoch einzeln vermessen, kann allein durch die beschränkte Positioniergenauigkeit der Relativbewegung zwischen Sensor und dem zu vermessenden Objekt eine Abweichung zwischen den einzelnen Messungen nicht ausgeschlossen werden. Measurement accuracy: By preferably simultaneous measurement of multiple measurement points by a laser beam expanded to form a line, positional inaccuracies can be avoided during the measurement. The relative and / or absolute position of the sensor when measuring several measuring points at the same time is identical, so an inaccuracy of the individual measuring points relative to one another can be excluded. However, if each measuring point is measured individually, a deviation between the individual measurements cannot be ruled out solely due to the limited positioning accuracy of the relative movement between the sensor and the object to be measured.
Es wurden Prozessversuche mit und ohne Bestimmung der Topo graphie und Steuerung des Tropfenabstand/ Strangabstands durch geführt. Process tests with and without determination of the topography and control of the drop spacing / strand spacing were carried out.
Dabei wurde ein 3D-Drucker (ACEO® Imagine Series 100, Wacker Chemie AG) verwendet, der dazu eingerichtet ist, Objekte im DOD-Verfahren (Drop-On-Demand-Verfahren) zu drucken. Der Drucker ist mit einer Software (ACEO® Studio Software, Wacker Chemie AG) ausgestattet, die STL-Dateiformate für die her zustellenden Objekte übernehmen kann. Eine Beschreibung des Aufbaus und der Arbeitsweise des Druckers ist in WO 2016/071241 Al beschrieben. Es wurde eine Siliconzusammensetzung, die gemäß WO 2017/089496 Al hergestellt wurde, eingesetzt. Der Drucker wurde auf eine Schichthöhe von 0,4 mm eingestellt und druckte mit einer Frequenz von 600 Hz. Das Testobjekt war ein Würfel der Größe 10x10x10 mm. Es wurden 25 Schichten des Silicons gedruckt. Nach jeder Schicht wurde das Silicon mit UV-Licht vernetzt. Beim erfindungsgemäßen Versuch wurde zudem nach jeder Schicht die Topographie der Oberfläche der vorherigen Schicht gemessen und die nächste Schicht entsprechend dem erfindungs gemäßen Verfahren angepasst. A 3D printer (ACEO ® Imagine Series 100, Wacker Chemie AG) was used, which is set up to print objects using the DOD process (drop-on-demand process). The printer is equipped with software (ACEO ® Studio Software, Wacker Chemie AG) that can accept STL file formats for the objects to be produced. A description of the structure and the mode of operation of the printer is described in WO 2016/071241 A1. A silicone composition which was produced according to WO 2017/089496 A1 was used. The printer was set to a layer height of 0.4 mm and printed at a frequency of 600 Hz. The test object was a cube with a size of 10 × 10 × 10 mm. 25 layers of the silicone were printed. After each layer, the silicone was crosslinked with UV light. In the experiment according to the invention, after each Layer, the topography of the surface of the previous layer is measured and the next layer is adapted in accordance with the method according to the invention.
Beim nicht erfindungsgemäßen Versuch ohne Topografiebestimmung hat sich gezeigt, dass es im additiven Fertigungsprozess sehr schnell zu einer ungleichmäßigen Materialoberfläche, zu par tiellen Höheunterschieden und/oder Abweichungen in der Bauteil geometrie kommt (siehe Abbildung 1). Zu diesen Auffälligkeiten kommt es möglicherweise durch ungewollte Volumenschwankungen beim Setzen der Tropfen/Stränge und/oder durch Fehlerfortpflanzung/Aufschaukeln von Austragefehlern an der gleichen Stelle in mehreren Schichten. In the non-inventive experiment without determining the topography, it has been shown that the additive manufacturing process very quickly results in an uneven material surface, partial height differences and / or deviations in the component geometry (see Figure 1). These abnormalities may arise from unwanted volume fluctuations when the drops / strands are set and / or from error propagation / build-up of discharge errors at the same point in several layers.
Es wurde der gleiche Prozessversuch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, d.h. mit Topografiebestimmung, durchgeführt. Die Abweichungen wurden von der Messvorrichtung erkannt und es wurde durch Adaption der darüberliegenden Schichten die Ab weichung ausgeglichen. Ungleichmäßigen Materialoberfläche, partiellen Höheunterschieden und Abweichungen in der Bauteil geometrie konnten somit gemildert oder komplett behoben werden (siehe Abbildung 2). The same process test was carried out using the method according to the invention, i.e. with topography determination. The deviations were recognized by the measuring device and the deviation was compensated for by adapting the overlying layers. Uneven material surface, partial height differences and deviations in the component geometry could thus be alleviated or completely eliminated (see Figure 2).
Bevorzugt ist die Messvorrichtung dazu eingerichtet, zu bestim men, auf welches Material die zu druckenden Druckmassen gedruckt werden können. The measuring device is preferably set up to determine the material on which the printing masses to be printed can be printed.
Eine Auswerteeinheit wertet beispielsweise hierzu die Intensi tät aller in einem Spektrometer auftretenden dominanten Wellen längen aus. Dabei unterscheidet sie zwischen Druckmasse, Stütz material, Material der Basisplatte oder eines Fremdbauteils oder einer sonstigen Oberfläche. Weiterhin kann die Auswerte einheit auch zwischen Materialien unterscheiden, die neben- einander in einer ebenen Fläche gedruckt werden, z. B. beim Applikationsdruck, oder wenn z. B. ein Material in einem weiteren Material eingebettet wird. Um den Übergang von einem transparenten Material zu einem intransparenten Material zu detektieren, kann auch das Verschwinden der Reflexion der Basisplatte herangezogen werden. An evaluation unit evaluates, for example, the intensity of all dominant wavelengths occurring in a spectrometer. It differentiates between printing mass, support material, material of the base plate or a foreign component or another surface. Furthermore, the evaluation unit can also differentiate between materials that are printed on each other in a flat surface, e.g. B. in application printing, or if z. B. a material is embedded in another material. In order to detect the transition from a transparent material to a non-transparent material, the disappearance of the reflection of the base plate can also be used.
Vorzugsweise handelt es sich bei der der Oberfläche in der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren um die Oberfläche einer Trägerplatte, um die Ober fläche zuvor aufgebrachter Druckmasse, die Oberfläche eines Fremdbauteil oder einer Kombination davon. The surface in the 3D printing device according to the invention or in the method according to the invention is preferably the surface of a carrier plate, the surface of previously applied printing compound, the surface of a foreign component or a combination thereof.
Das Fremdbauteil besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Textilien, Metall, Kunststoff, Kautschuk, Keramik, Glas, Beton, Holz, Leder und Papier. The foreign component preferably consists of one or more of the following materials: textiles, metal, plastic, rubber, ceramic, glass, concrete, wood, leather and paper.
Die erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Kalibrierstation, die dazu eingerichtet ist, die 3D- Druckvorrichtung zu kalibrieren. The 3D printing device according to the invention preferably comprises a calibration station which is set up to calibrate the 3D printing device.
Bevorzugt wird die 3D-Druckvorrichtung vor und/oder während, besonders bevorzugt vor der Herstellung des Objektes kalibriert. The 3D printing device is preferably calibrated before and / or during, particularly preferably before, the production of the object.
Besonders bevorzugt erfolgt die Kalibrierung der 3D- Druckvorrichtung manuell, semi-automatisch oder vollautoma tisch, besonders bevorzugt vollautomatisch. The calibration of the 3D printing device is particularly preferably carried out manually, semi-automatically or fully automatically, particularly preferably fully automatically.
Bevorzugt weist die Kalibrierstation eine oder mehrere Mess vorrichtungen auf, die dazu eingerichtet sind Prozessparameter und/oder Objekteigenschaften eines Testobjekts zu bestimmen. Im 3D-Druckprozess wird die 3D-Druckvorrichtung vorzugsweise kalibriert. Dies kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfol gen, bevorzugt vor und/oder während dem Druckprozess (Initial kalibrieren bzw. Zwischenkalibrieren). Die Kalibrierung dient zur Parametrisierung des Druckers, der Einstellung der Ventil parameter, der Druckparameter und/oder der Maschinen-Settings. The calibration station preferably has one or more measuring devices which are set up to determine process parameters and / or object properties of a test object. In the 3D printing process, the 3D printing device is preferably calibrated. This can take place at different times, preferably before and / or during the printing process (initial calibration or intermediate calibration). The calibration is used to parameterize the printer, to set the valve parameters, the print parameters and / or the machine settings.
Dabei werden Druckmassen ausgetragen, dies kann in Undefinier ter Form von einzelnen Voxeln und/oder einer Vielzahl von Voxeln und/oder Strängen, oder aber in Form von vorab definier ten Druckobjekte erfolgen. Der Austrag der Druckmassen kann an beliebiger Stelle erfolgen, bevorzugt an/über/in einem Abfall behältnis und/oder auf der Druckplattform und/oder auf einer speziellen Kalibrierplattform. In the process, printing masses are discharged; this can take place in undefined form of individual voxels and / or a multiplicity of voxels and / or strings, or in the form of previously defined print objects. The printing masses can be discharged at any point, preferably on / over / in a waste container and / or on the printing platform and / or on a special calibration platform.
Anhand der ausgetragenen Druckmassen werden verschiedene Kriterien beurteilt. Dies kann anhand von Messungen und/oder auf Grundlage von empirischen Erfahrungen vom Bediener erfol gen. Messungen der ausgetragenen Druckmassen können umfassen: Topografie, Oberflächengüte/-qualität, Kantentreue, Tropfen abriss, Schichthöhe, Tropfenverlauf, Stranggeometrie, Austrags verhalten, Blasenfreiheit, Farbton, Kantengeometrie, und/oder Tropfengeometrie . Various criteria are assessed on the basis of the printing mass that is discharged. This can be done on the basis of measurements and / or on the basis of empirical experience from the operator.Measurements of the discharged printing masses can include: topography, surface quality, edge accuracy, droplet breakage, layer height, droplet course, strand geometry, discharge behavior, freedom from bubbles, color, Edge geometry and / or teardrop geometry.
Es können aber auch Rückschlüsse auf die Einstellungen der Kom ponenten der Maschine selbst gezogen werden. Diese Überprüfung kann beispielsweise umfassen: Position und Lage von Komponenten des Druckers (sowohl global als auch zueinander), Ventil- Offset, Sensor-Offset und/oder Achs-Positionierung. However, conclusions can also be drawn about the settings of the components of the machine itself. This check can include, for example: position and location of components of the printer (both globally and with respect to one another), valve offset, sensor offset and / or axis positioning.
Die Kalibrierung der 3D-Druckvorrichtung (1. Austrag von Druck massen, 2. Messung von spezifischen Parametern und/oder Beur teilung auf Grundlage von empirischen Erfahrungen vom Bediener, 3. Ableitung von Maßnahmen) kann vorzugsweise unabhängig von der Druckplattform erfolgen. Damit kann auch während einem Druckprozess eine erneute (Zwischen-)Kalibrierung stattfinden ohne Gefahr das eigentlich zu druckende 3D-Objekt auf der Druckplattform zu gefährden (z.B. Kollision, unabsichtlicher Materialauftrag, Verschmutzung durch Maschinenbewegung etc.). Bei einer weiteren Ausgestaltungsform kann die eigentliche Druckplattform dabei in eine separate, geschützte Kammer ge fahren werden oder abgedeckt werden, während die (Zwischen- )Kalibrierung läuft. Dies schützt die ausgetragenen Druckmassen auf der Druckplattform zusätzlich vor möglichen ungewünschten Einflüssen. Die Kalibrierplattform kann zusätzlich mit Mess systemen zur erleichterten Beurteilung der ausgetragenen Druck massen ausgerüstet sein, bzw. die in der 3D-Druckvorrichtung vorhandenen Messsysteme sind so ausgestaltet, dass auch Messungen auf der Kalibrierplattform vorgenommen werden können. Diese Messsysteme können beispielsweise einen Lasersensor, einen Laserscanner, einen Profilsensor, einen Triangulations sensor, bevorzugt einen Laser-Triangulationssensor, besonders bevorzugt einen Laser-Linien-Triangulationssensor, einen Höhen sensor, einen konfokalen Sensor, einen konfokal-chromatischen Sensor, eine Kamera, eine Durchlichtkamera, eine 3D-Kamera, einen 3D-Scanner, ein bildgebendes Verfahren, einen Ultra schallsensor, einen Sensor mit elektro-magnetischer Strah lung/Wellen, eine Tropfen-/Strangüberwachung, eine Tropfen- /Stranggeometrievermessung umfassen. The calibration of the 3D printing device (1st discharge of printing materials, 2nd measurement of specific parameters and / or assessment based on the operator's empirical experience, 3. Derivation of measures) can preferably take place independently of the printing platform. This means that a new (intermediate) calibration can also take place during a printing process without the risk of endangering the 3D object actually to be printed on the printing platform (e.g. collision, unintentional material application, contamination from machine movement, etc.). In a further embodiment, the actual printing platform can be moved into a separate, protected chamber or covered while the (intermediate) calibration is running. This additionally protects the discharged printing masses on the printing platform from possible undesired influences. The calibration platform can also be equipped with measuring systems for easier assessment of the discharged printing masses, or the measuring systems present in the 3D printing device are designed in such a way that measurements can also be made on the calibration platform. These measuring systems can, for example, a laser sensor, a laser scanner, a profile sensor, a triangulation sensor, preferably a laser triangulation sensor, particularly preferably a laser line triangulation sensor, a height sensor, a confocal sensor, a confocal chromatic sensor, a camera, a Transmitted light camera, a 3D camera, a 3D scanner, an imaging method, an ultrasonic sensor, a sensor with electromagnetic radiation / waves, a drop / strand monitoring, a drop / strand geometry measurement.
Weiterhin weist die 3D-Druckvorrichtung bevorzugt eine oder mehrere Korrigiervorrichtungen auf, die dazu eingerichtet sind, die räumliche Position und Lage der Oberfläche zu korrigieren. Furthermore, the 3D printing device preferably has one or more correction devices which are set up to correct the spatial position and location of the surface.
Bei Kenntnis der Lage der Druckebene kann die 3D- Druckvorrichtung zusätzlich kalibriert werden, z. B. indem Ver- satz und Verkippung gegenüber dem Druckkopf bzw. der Druckkopf- ebene oder der Abstand der Druckebene in Bezug auf die jeweili ge Austragevorrichtung und die Orientierung im Raum eingestellt werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die 3D- Druckvorrichtung daher eine Korrigiervorrichtung auf, die funk tionell mit dem System der Messvorrichtung verbunden und dazu eingerichtet ist, die Lage der Druckebene zu korrigieren. If the position of the printing plane is known, the 3D printing device can also be calibrated, e.g. B. by Set and tilt relative to the print head or the print head plane or the distance between the print plane in relation to the respective discharge device and the orientation in space can be set. According to a preferred embodiment, the 3D printing device therefore has a correction device which is functionally connected to the system of the measuring device and is set up to correct the position of the printing plane.
Die Korrigiervorrichtung kann Justierelemente zur Justierung der Druckebene umfassen, z. B. Justierschrauben an der Basis platte und am Druckkopf. Die Justierung der Druckebene kann mechanisch per Hand erfolgen oder automatisch. Bevorzugt umfasst die Korrigiervorrichtung ansteuerbare Aktoren, die z.The correcting device can comprise adjusting elements for adjusting the printing plane, e.g. B. Adjusting screws on the base plate and on the printhead. The adjustment of the print level can be done mechanically by hand or automatically. Preferably, the correcting device comprises controllable actuators which, for.
B. Verkippung und Versatz automatisch per Computersteuerung einstellen können. B. Tilt and offset can be set automatically by computer control.
Für den Fall, dass die Austragevorrichtung eine Jetting-Düse ist, kann die Korrigiervorrichtung auch Justierelemente zur Justierung der Ausrichtung des Druckkopfs aufweisen, beispiels weise Winkeljustierschrauben. Durch Toleranz in der Mechanik und in der Düsengeometrie werden ausgebrachte Tropfen, die zu Druckvoxeln führen, nicht senkrecht ausgestoßen, sondern in einem kegelförmigen Toleranzbereich. Die Spitze des Kegels ist dabei durch den Düsenausgang gebildet und die Grundfläche der Bereich auf der Druckebene, auf welcher der Tropfen auftrifft. Eine nicht senkrechte Ausrichtung des Druckkopfes, Toleranzen der Düsenformung sowie Verschmutzungen und Ablagerungen in der Düse oder Luftströmungen können eine ungewollte Ablenkung der Tropfentrajektorien erzeugen. Bevorzugt sind auch hier an steuerbare Aktoren vorgesehen, um den Winkel automatisch per Computersteuerung einstellen zu können. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße 3D Druckvorrichtung ein oder mehrere steuerbare Roboterarme auf, die dazu eingerichtet sind, das gedruckte Objekt und/oder Fremdbauteil zu platzieren und/oder zu manipulieren. In the event that the discharge device is a jetting nozzle, the correction device can also have adjustment elements for adjusting the alignment of the print head, for example angle adjustment screws. Due to the tolerance in the mechanics and in the nozzle geometry, drops that lead to pressure voxels are not ejected vertically, but in a conical tolerance range. The tip of the cone is formed by the nozzle outlet and the base area is the area on the pressure plane on which the drop hits. A non-vertical alignment of the print head, tolerances of the nozzle shape as well as dirt and deposits in the nozzle or air currents can cause an undesired deflection of the droplet trajectories. Controllable actuators are also preferably provided here in order to be able to set the angle automatically by computer control. The 3D printing device according to the invention preferably has one or more controllable robot arms which are set up to place and / or manipulate the printed object and / or foreign component.
Der steuerbare Roboterarm ermöglicht beispielsweise ein automa tisches Bestücken des 3D-Druckers mit Fremdbauteilen, die bedruckt, beschichtet oder auf welche Applikationen aufgedruckt werden sollen. Auch Drehen, Repositionieren und Entnehmen des Fremdbauteils oder des gedruckten Objekts ist automatisch möglich. Weiterhin kann mittels des Roboterarms ein Entfernen von erkanntem Fremdmaterial erfolgen. The controllable robot arm enables, for example, the automatic loading of the 3D printer with third-party components that are to be printed, coated or which applications are to be printed on. Rotating, repositioning and removing the foreign component or the printed object is also possible automatically. Detected foreign material can also be removed by means of the robot arm.
Die 3D-Druckvorrichtung weist ein Hauptsteuergerät auf, welches eine Vorlage bzw. ein Computermodell des zu druckenden Objekts enthält. Das Hauptsteuergerät kann beispielsweise als ein Computer ausgeführt sein, welcher mit den Steuereinrichtungen der Geräte beispielsweise über ein Datennetzwerk wie z. B. Ethernet oder WLAN oder über eine Verbindung wie z. B. eine serielle Verbindung oder USB kommuniziert. The 3D printing device has a main control unit which contains a template or a computer model of the object to be printed. The main control device can be designed, for example, as a computer which communicates with the control devices of the devices, for example via a data network such as. B. Ethernet or WLAN or via a connection such. B. a serial connection or USB communicates.
Auf dem Hauptsteuergerät kann das Computermodell in einem beliebigen Dateiformat hinterlegt sein. Übliche Dateiformate umfassen z.B. STL, OBJ, CLI/SLC, PLY, VRML, AMF, 3MF, STEP, IGES, IPT, IAM. Bei der Durchführung des beschriebenen Ver fahrens werden durch das Hauptsteuergerät virtuelle horizontale Schnitte durch das Modell erzeugt (sog. Slicen). Aus diesen horizontalen Schnitten wird im Anschluss ein Schema berechnet, welches angibt, wie die Druckmassen zum generativen Aufbauen des Objekts platziert werden müssen. Das Schema enthält ins besondere die Soll-Positionen der Druckmassen. Hierbei wird berücksichtigt, ob der Austrag der Druckmassen in Form von Voxeln, in Form von Strängen oder in Form einer Kombination aus Voxeln und Strängen erfolgt. Erfordert die Form des Objekts das Setzen von Stützmaterial, so ist das Hauptsteuergerät bevorzugt eingerichtet, auch ein Schema zum Setzen des Stützmaterials zu erzeugen. The computer model can be stored in any file format on the main control unit. Common file formats include, for example, STL, OBJ, CLI / SLC, PLY, VRML, AMF, 3MF, STEP, IGES, IPT, IAM. When performing the process described, the main control unit generates virtual horizontal cuts through the model (so-called slicing). A scheme is then calculated from these horizontal sections, which indicates how the printing materials must be placed for the generative construction of the object. In particular, the scheme contains the target positions of the printing masses. This takes into account whether the printing mass is discharged in the form of voxels, in the form of strands or in the form of a combination of Voxels and strands. If the shape of the object requires the setting of support material, the main control device is preferably set up to also generate a scheme for setting the support material.
Das Hauptsteuergerät ist funktionell mit der Messvorrichtung und weiteren Vorrichtungen der 3D-Druckvorrichtung verbunden, insbesondere mit Druckköpfen, Positioniereinrichtungen, Posi tionsmesseinrichtungen, Druckmassenmessungen, Korrigiervor richtungen und Roboterarmen. The main control device is functionally connected to the measuring device and other devices of the 3D printing device, in particular with print heads, positioning devices, position measuring devices, printing mass measurements, correction devices and robot arms.
Die Positioniereinrichtung ist eingerichtet, den Druckkopf relativ zu der Basisplatte zu positionieren, wobei die Relativ position zumindest entlang der drei Raumachsen X, Y und Z ver stellbar ist, gegebenenfalls auch drehbar. Die Positionier einrichtung umfasst mindestens eine Antriebseinheit, wobei üblicherweise für jede verstellbare Raumachse zumindest eine separate Antriebseinheit vorgesehen ist. Die Antriebseinheit ist beispielsweise als Elektromotor, insbesondere als Schritt motor oder Servomotor ausgeführt. The positioning device is set up to position the print head relative to the base plate, the relative position being adjustable, possibly also rotatable, at least along the three spatial axes X, Y and Z. The positioning device comprises at least one drive unit, with at least one separate drive unit usually being provided for each adjustable spatial axis. The drive unit is designed, for example, as an electric motor, in particular as a stepper motor or servo motor.
Die Positionsmesseinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, die Position des Druckkopfs laufend zu bestimmen. Hierzu kann vor gesehen sein, dass die Positionsmesseinrichtung Messungen der Position des Druckkopfs mit einer vorgegebenen Rate vornimmt und an das Hauptsteuergerät übermittelt. The position measuring device is preferably set up to continuously determine the position of the print head. For this purpose, it can be provided that the position measuring device takes measurements of the position of the print head at a predetermined rate and transmits them to the main control unit.
Die Positionsmesseinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, zu jeder durch die Positioniereinrichtung verstellbaren Achse oder Raumrichtung eine Messung der Position mit Bezug zu dieser Achse oder Raumrichtung vorzunehmen. Zumindest ist die Posi tionsmesseinrichtung eingerichtet, die Position des Druckkopfes innerhalb einer Ebene parallel zu der Basisplatte zu bestimmen. Bevorzugt ist sie eingerichtet, die Position des Druckkopfes im Raum zu bestimmen. The position measuring device is preferably set up to measure the position with reference to this axis or spatial direction for each axis or spatial direction that can be adjusted by the positioning device. At least the position measuring device is set up to determine the position of the print head within a plane parallel to the base plate. It is preferably set up to determine the position of the print head in space.
Die Positionsmesseinrichtung weist bevorzugt zumindest einen Schrittzähler am Motor, Drehgeber (Encoder), optischen Maßstab, insbesondere einen Glasmaßstab, GPS-Sensor, Radarsensor, Ultra schallsensor, LIDAR-Sensor und/oder zumindest eine Licht schranke auf. Der Schrittzähler am Motor kann insbesondere als berührungsloser Schalter, beispielsweise als Magnetsensor, ins besondere Hallsensor ausgestaltet sein. The position measuring device preferably has at least one step counter on the motor, rotary encoder, optical scale, in particular a glass scale, GPS sensor, radar sensor, ultrasonic sensor, LIDAR sensor and / or at least one light barrier. The step counter on the motor can in particular be designed as a contactless switch, for example as a magnetic sensor, in particular a Hall sensor.
Somit ist es möglich, an beliebig geformten Körpern Beschich tungen, Aufsätze oder Applikationen zu drucken. Beispielsweise können uneben geformte Körper wie Linsen mit aufgedruckten Halterungen versehen werden. Weiterhin können an metallischen Bauelementen Überzüge oder Pufferelemente aufgedruckt werden. Weiterhin kann ein Einbettungsdruck von Elektroden, elektri schen Aktoren oder Sensoren in Silicon vorgenommen werden. Die Einbettung kann beispielsweise notwendig sein, um diese für den menschlichen oder tierischen Körper auf verträgliche Weise implantierbar zu gestalten. Anwendungen liegen bei medizini schen Implantaten, wie etwa Gehörimplantaten oder bei medizini scher Sensorik. Beispielsweise können elektrische Aktoren oder Sensoren durch Einbetten von elektroaktiven Polymeren in Silicon erzeugt werden. It is thus possible to print coatings, attachments or applications on bodies of any shape. For example, unevenly shaped bodies such as lenses can be provided with holders printed on them. Furthermore, coatings or buffer elements can be printed on metallic components. In addition, electrodes, electrical actuators or sensors can be embedded in silicone. The embedding can be necessary, for example, in order to make it implantable in a way that is compatible with the human or animal body. Applications are in medical implants, such as hearing implants, or in medical sensors. For example, electrical actuators or sensors can be produced by embedding electroactive polymers in silicone.
Weiterhin lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Abbilder bestehender Strukturen oder Bauteile erzeugen, insbe sondere auch Abbildungen transparenter Bauteile. Die bestehende Struktur oder das Bauteil wird gescannt, als CAD-Modell ein gelesen und nachgedruckt. Vorteilhaft sind keine zwei getrenn ten Geräte erforderlich, sodass eine separate Scaneinrichtung entfällt. Gemäß einer Ausführungsform wird zumindest ein Fremdbauteil auf einer Basisplatte oder auf einer gedruckten Schicht angeordnet, wobei die Lage der bedruckbaren Oberfläche des Fremdbauteils durch das System mit der Messvorrichtung ermittelt wird. Furthermore, images of existing structures or components can be generated with the method according to the invention, in particular also images of transparent components. The existing structure or component is scanned, read in as a CAD model and reprinted. Advantageously, no two separate devices are required, so that a separate scanning device is not required. According to one embodiment, at least one foreign component is arranged on a base plate or on a printed layer, the position of the printable surface of the foreign component being determined by the system with the measuring device.
Somit können auch in vorhandenen Druckkörpern während des Drucks externe Elemente eingesetzt und im Druckkörper einge druckt werden. Durch die Höhenmessung wird die Position und Lage des Fremdbauteils ermittelt und diese Daten werden durch die Software im Druckprozess weiterverarbeitet. Das Fremdbau teil kann dabei im Laufe des Druckvorgangs völlig oder nur teilweise mit Druckmasse beschichtet oder von der Druckmasse umschlossen werden. This means that external elements can also be used in existing pressure hulls during printing and printed in the pressure hull. The height measurement determines the position and location of the third-party component and this data is further processed by the software in the printing process. The foreign component can be completely or only partially coated with printing compound or enclosed by the printing compound in the course of the printing process.
Die Anordnung des Fremdbauteils auf der Basisplatte oder auf der gedruckten Schicht erfolgt bevorzugt automatisch, z. B. mittels eines Roboterarms. Falls Ungenauigkeiten erkannt werden, können diese umpositioniert werden. The arrangement of the foreign component on the base plate or on the printed layer is preferably done automatically, e.g. B. by means of a robotic arm. If inaccuracies are detected, they can be repositioned.
Fremdbauteile sind beispielsweise elektrische Sensoren,Third-party components are, for example, electrical sensors,
Aktoren, Signalgeber oder Mikrochips. Actuators, signal transmitters or microchips.
Nach einer weiteren Ausführungsform können nach einem Druck vorgang mittels des Systems mit der Messvorrichtung außerdem Positionen gedruckter Druckmassen berührungslos bestimmt werden. According to a further embodiment, after a printing process by means of the system with the measuring device, positions of printed printing masses can also be determined without contact.
Die Messung, beispielsweise Schicht für Schicht ausgeführt, kann beispielsweise der Qualitätskontrolle dienen. Es kann vor gesehen sein, dass im CAD-Modell beispielsweise die Differenz vom Soll-Modell zum Ist-Modell dargestellt wird. Insbesondere bei Hinterschneidungen und bei schwer zugänglichen Innenräumen von Objekten ist diese Art der Dokumentation der Qualität vor teilhaft. Eine spätere Untersuchung wäre oftmals nur noch auf wändig oder bedingt möglich. The measurement, for example carried out layer by layer, can be used for quality control, for example. It can be provided that, for example, the difference between the target model and the actual model is shown in the CAD model. Especially with undercuts and in hard-to-reach interiors of objects, this type of documentation is advantageous in terms of quality. A later examination would often only be possible with great effort or to a limited extent.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vor gesehen, qualitätsbestimmende Kennzahlen des gedruckten Objekts zu bestimmen und auszugeben, insbesondere die Oberflächenrauig keit, die Oberflächengüte, die Oberflächentextur, die Lage (insbesondere die Höhe) und Ebenheitstoleranzen. Durch die erhaltenen CAD-Daten ist eine Ausgabe qualitätsbestimmenden Kennzahlen direkt nach dem Scan oder Druck durchführbar. Auch können entsprechend einschlägiger Normen wie bspw. EN ISO 25178 nach Ausgabe vom 2010-2013 sofortige Angaben zur Oberflächen rauigkeit oder anhand der DIN ISO 2768-1 Angaben zu Allgemein toleranzen von der 3D-Druckeinrichtung ausgegeben werden. According to a preferred embodiment of the method, it is envisaged to determine and output quality-determining indicators of the printed object, in particular the surface roughness, the surface quality, the surface texture, the position (in particular the height) and flatness tolerances. The CAD data obtained can be used to output quality-determining key figures directly after the scan or print. In accordance with relevant standards such as EN ISO 25178 according to the 2010-2013 edition, immediate information on surface roughness or information on general tolerances based on DIN ISO 2768-1 can also be output by the 3D printing device.
Bevorzugt umfasst das Verfahren die Bestimmung von qualitäts bestimmenden Kennzahlen des gedruckten Objekts. The method preferably includes the determination of quality-determining key figures of the printed object.
Bevorzugt umfassen die qualitätsbestimmenden Kennzahlen die Oberflächenrauigkeit, die Oberflächentextur, die Lage- und Ebenheitstoleranzen des gedruckten Objekts. The quality-determining indicators preferably include the surface roughness, the surface texture, the positional and flatness tolerances of the printed object.
Insbesondere der Druck von transparentem Material hat eine Vielzahl von Anwendungsgebieten, wie z. B. optische Linsen.In particular, the printing of transparent material has a variety of applications, such as. B. optical lenses.
Die Schichten, auf die gedruckt werden, sind bevorzugt zumindest teilweise aus transparenter Druckmasse gebildet. The layers on which are printed are preferably formed at least partially from transparent printing mass.
Bevorzugt findet das vorgeschlagene Verfahren Anwendung bei der Herstellung von Objekten, welche Elastomerteile, insbesondere Siliconelastomerteile, sind. Für die Herstellung des Elastomer teils wird bevorzugt eine der zuvor beschriebenen Druckmassen verwendet. Elastomere, insbesondere Siliconelastomere, stellen spezielle Anforderungen an das 3D-Druckverfahren, da diese Materialien im Gegensatz z. B. zu thermoplastischen Kunst stoffen elastisch sind und sich während der Herstellung des Objekts verformen können. Zudem sind die unvernetzten Materia lien bis zu ihrer Aushärtung fließfähig. The proposed method is preferably used in the production of objects which are elastomer parts, in particular silicone elastomer parts. For the production of the elastomer part, one of the printing compounds described above is preferably used. Elastomers, in particular silicone elastomers, provide special requirements for the 3D printing process, as these materials, in contrast to e.g. B. thermoplastic materials are elastic and can deform during the manufacture of the object. In addition, the non-crosslinked materials are flowable until they have hardened.
Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Objekt zeichnet sich durch eine Qualität aus, welche der Qualität mittels Spritzgusses hergestellter Elastomerteile entsprechen kann oder diese sogar übertrifft. Dabei kann die Oberfläche des Objekts wie gewünscht angepasst werden. Die Oberfläche kann z. B. strukturiert, insbesondere regelmäßig strukturiert, oder glatt und/oder vollständig geschlossen ausgebildet werden. The object produced with the method according to the invention is characterized by a quality which can correspond to or even exceed the quality of elastomer parts produced by means of injection molding. The surface of the object can be adjusted as required. The surface can e.g. B. structured, in particular structured regularly, or smooth and / or completely closed.
Dabei weisen die hergestellten Objekte aufgrund der Möglichkeit des Nachdrucks fehlerhaft nicht-gesetzter Druckmassen keine eingeschlossenen Luft- oder Gasbläschen auf. Somit können mechanisch beanspruchbare Objekte mit verlässlichen physikali schen Eigenschaften erzeugt werden, welche z. B. auch für medi zinische Anwendungen geeignet sind. Beispielsweise können gedruckte Objekte mit homogenen Elastizitäts- oder Glattheits eigenschaften oder, bei optischen Linsen, isotroper optischer Transparenz bereitgestellt werden. Des Weiteren zeichnet sich das gedruckte Objekt dadurch aus, dass dessen Geometrie nicht durch die bei Gussverfahren eingesetzten Formwerkzeuge beschränkt ist. Somit kann das gedruckte Objekt Hinterschnitte und/oder eingeschlossene Hohlräume aufweisen. Ebenso ist das gedruckte Objekt frei von Graten, die bei spritzgegossenen Teilen insbesondere an der Trennung der Formhälften und an dem Angusssystem auftreten. Due to the possibility of reprinting incorrectly not set printing masses, the manufactured objects do not have any trapped air or gas bubbles. Thus, mechanically stressable objects with reliable physical rule properties can be generated, which z. B. are also suitable for medical applications. For example, printed objects with homogeneous elasticity or smoothness properties or, in the case of optical lenses, isotropic optical transparency can be provided. Furthermore, the printed object is characterized by the fact that its geometry is not restricted by the molding tools used in the casting process. Thus, the printed object can have undercuts and / or enclosed cavities. The printed object is also free of burrs that occur in injection-molded parts, in particular at the separation of the mold halves and on the sprue system.

Claims

Patentansprüche Claims
1. 3D-Druckvorrichtung zur Herstellung von Objekten im 3D- Druckverfahren umfassend 1. Comprehensive 3D printing device for the production of objects in the 3D printing process
- wenigstens eine Austragevorrichtung, die dazu eingerich tet ist, eine oder mehrere Druckmassen in Form von Tropfen und/oder kontinuierlichen Strängen schichtweise auf eine Oberfläche aufzubringen, und - At least one discharge device which is set up to apply one or more printing masses in the form of drops and / or continuous strands in layers onto a surface, and
- wenigstens eine Messvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche berührungslos zu bestimmen, und- At least one measuring device which is set up to determine the topography of at least a partial area of the surface to be printed in a contactless manner, and
- wenigstens eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Abstand der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie der Oberfläche zu steuern. - At least one control device which is set up to control the distance between the drops and / or strands as a function of the specific topography of the surface.
2. 3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Messvor richtung dazu eingerichtet ist, die räumliche Position und Lage wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche berührungslos zu bestimmen und die Steuerein richtung dazu eingerichtet ist, den Abstand der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Position und Lage der Oberfläche zu steuern. 2. 3D printing device according to claim 1, wherein the measuring device is set up to determine the spatial position and location of at least a partial area of the surface to be printed without contact and the control device is set up to measure the distance between the drops and / or strands in Control depending on the specific position and location of the surface.
3. 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Messvorrichtung wenigstens einen Laser und wenigstens einen Sensor umfasst, die zusammen dazu ein gerichtet sind, den wenigstens einen Teilbereich der Ober fläche mittels Lasertriangulation zu vermessen. 3. 3D printing device according to one of claims 1 or 2, wherein the measuring device comprises at least one laser and at least one sensor, which are together directed to measure the at least a portion of the upper surface by means of laser triangulation.
4. 3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der Laser dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 380 nm oder mehr und 570 nm oder weniger zu erzeugen. 4. 3D printing device according to claim 3, wherein the laser is configured to generate laser radiation with a wavelength in the range of 380 nm or more and 570 nm or less.
5. 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Laser dazu eingerichtet ist, mehrere Messpunkte in einer Reihe gleichzeitig zu erfassen. 5. 3D printing device according to one of claims 3 or 4, wherein the laser is set up to detect several measuring points in a row at the same time.
6. 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Messvorrichtung dazu eingerichtet ist, das Material des wenigstens eines Teilbereichs der Oberfläche zu bestimmen. 6. 3D printing device according to one of claims 1 to 5, wherein the measuring device is set up to determine the material of the at least one sub-area of the surface.
7. 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei es sich bei der Oberfläche um die Oberfläche einer Trägerplatte, um die Oberfläche zuvor aufgebrachter Druck masse, die Oberfläche eines Fremdbauteil oder einer Kombi nation davon handelt. 7. 3D printing device according to one of claims 1 to 6, wherein the surface is the surface of a carrier plate, the surface of previously applied printing mass, the surface of a foreign component or a combination thereof.
8. 3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei das Fremdbau teil aus einem oder mehreren der folgenden Materialien besteht: Textilien, Metall, Kunststoff, Kautschuk, Keramik, Glas, Beton, Holz, Leder und Papier. 8. 3D printing device according to claim 7, wherein the foreign component consists of one or more of the following materials: textiles, metal, plastic, rubber, ceramics, glass, concrete, wood, leather and paper.
9. 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die 3D-Druckvorrichtung eine Kalibrierstation um fasst, die dazu eingerichtet ist, die 3D-Druckvorrichtung zu kalibrieren. 9. 3D printing device according to one of claims 1 to 8, wherein the 3D printing device comprises a calibration station which is set up to calibrate the 3D printing device.
10. 3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Kalibrier station eine oder mehrere Messvorrichtungen aufweist, die dazu eingerichtet sind Prozessparameter und/oder Objekt eigenschaften eines Testobjekts zu bestimmen. 10. 3D printing device according to claim 9, wherein the calibration station has one or more measuring devices which are set up to determine process parameters and / or object properties of a test object.
11. Verfahren zum Herstellen eines Objekts durch schichtweises Aufbringen von einer oder mehreren Druckmassen in Form von Tropfen und/oder kontinuierlichen Strängen auf eine Ober fläche unter Einsatz einer 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend 11. A method for producing an object by applying one or more printing compounds in layers in the form of drops and / or continuous strands to a surface using a 3D printing device according to any one of claims 1 to 10, comprising
- berührungslose Bestimmung der Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche, und- contactless determination of the topography of at least a partial area of the surface to be printed, and
- Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topo grafie. - Control of the distance between the drops and / or strands depending on the particular topography.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Verfahren folgendes umfasst: 12. The method of claim 11, wherein the method comprises:
- berührungslose Bestimmung der räumlichen Position und Lage wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche, und - Contactless determination of the spatial position and location of at least a partial area of the surface to be printed, and
- Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten räum lichen Lage und Position. - Control of the distance between the drops and / or strands as a function of the specific spatial situation and position.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Bestimmung der Topografie die Identifizierung von uner wünschten Unebenheiten der Oberfläche umfasst und die Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge den Ausgleich dieser Unebenheiten umfasst. 13. The method according to any one of claims 11 or 12, wherein the determination of the topography comprises the identification of undesired unevenness of the surface and the control of the spacing of the drops and / or strands comprises the compensation of these unevenness.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Bestimmung der räumlichen Position und Lage die Identi fizierung von unerwünschten Verschiebungen und Schräglagen umfasst und Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge den Ausgleich dieser Verschiebungen und Schräg lagen umfasst. 14. The method according to any one of claims 11 to 13, wherein the determination of the spatial position and location includes the identification of undesired displacements and inclinations and controlling the spacing of the drops and / or strands includes the compensation of these displacements and inclines.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Tropfenvolumen und/oder die Stranggeometrie konstant gehalten wird. 15. The method according to any one of claims 11 to 14, wherein the drop volume and / or the strand geometry is kept constant.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die berührungslose Bestimmung der Topographie und/oder der räumlichen Position und Lage wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche mittels Lasertriangulation erfolgt. 16. The method according to any one of claims 11 to 15, wherein the contactless determination of the topography and / or the spatial position and location of at least a sub-area of the surface to be printed takes place by means of laser triangulation.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Druckmassen eine oder mehrere vernetzbare Silicon kautschukzusammensetzungen umfassen. 17. The method according to any one of claims 11 to 16, wherein the printing compounds comprise one or more crosslinkable silicone rubber compositions.
18. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei wenigstens eine Siliconkautschukzusammensetzung eine Viskosität von 10 Pa-s oder mehr, bevorzugt 40 Pa-s oder mehr, besonders bevorzugt 100 Pa-s oder mehr, ganz besonders bevorzugt 200 Pa-s oder mehr, aufweist, jeweils gemessen bei 25°C und einer Scherrate von 0,5 s_1. 18. The method according to claim 17, wherein at least one silicone rubber composition has a viscosity of 10 Pa-s or more, preferably 40 Pa-s or more, particularly preferably 100 Pa-s or more, very particularly preferably 200 Pa-s or more, each measured at 25 ° C and a shear rate of 0.5 s _1 .
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Druckmassen eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen: Silicongele, Siliconharze, Homopolymere oder Copolymere aus Monomeren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylaten, Olefinen, Epoxiden, Isocyanaten oder Nitrilen, sowie Polymermischungen umfassend eines oder mehrere der vorgenannten Polymere. 19. The method according to any one of claims 11 to 18, wherein the printing compounds comprise one or more of the following materials: silicone gels, silicone resins, homopolymers or copolymers of monomers selected from the group consisting of acrylates, olefins, epoxides, isocyanates or nitriles, as well as comprising polymer mixtures one or more of the aforementioned polymers.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei die Druckmassen ein oder mehrere Stützmaterialien umfassen, die nach Fertigstellung des Objekts wieder entfernt werden. 20. The method according to any one of claims 11 to 19, wherein the printing masses comprise one or more support materials which are removed again after completion of the object.
21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei das21. The method according to any one of claims 11 to 20, wherein the
Verfahren folgende Schritte vor Auftragung der Druckmassen umfasst: - Bereitstellen des Objekts in digitaler Form, wobei das digitale Objekt aus einzelnen Schichten besteht, The method comprises the following steps before applying the printing materials: - providing the object in digital form, the digital object consisting of individual layers,
- Erstellung von zweidimensionalen Bildern jeder einzelnen Schicht des Objekts, wobei die zweidimensionalen Bilder jeweils aus einzelnen Pixeln bestehen, - Aufteilung der zweidimensionalen Bilder in Druckbereiche mit identischem Tropfenabstand oder identischem Strang abstand, wobei die Größe der Druckbereiche in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie der zu bedruckenden Ober fläche bestimmt wird. - Creation of two-dimensional images of each individual layer of the object, the two-dimensional images each consisting of individual pixels, - Division of the two-dimensional images into print areas with identical drop spacing or identical strand spacing, the size of the print areas depending on the specific topography of the one to be printed Surface is determined.
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