WO2021209255A1 - Apparatus and method for the additive manufacturing of a workpiece - Google Patents

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WO2021209255A1
WO2021209255A1 PCT/EP2021/058236 EP2021058236W WO2021209255A1 WO 2021209255 A1 WO2021209255 A1 WO 2021209255A1 EP 2021058236 W EP2021058236 W EP 2021058236W WO 2021209255 A1 WO2021209255 A1 WO 2021209255A1
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workpiece
raw material
print head
path
volume flow
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PCT/EP2021/058236
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Cornelius Kühn
Dieter Heinl
Manfred OCHSENKÜHN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the additive production of a workpiece by means of materi alextrusion.
  • the invention also relates to a method for planning tool paths for additive manufacturing of a workpiece by means of material extrusion.
  • One possible method for the additive manufacturing of a workpiece is material extrusion.
  • This method is known, inter alia, under the abbreviated MEX (material extrusion), FDM ® (Fused Deposition Modeling), FLM (Fused Layer Manufacturing) and FFF (Fused filament Fabrication).
  • MEX material extrusion
  • FDM ® Fused Deposition Modeling
  • FLM FLM
  • FFF Fused filament Fabrication
  • the work piece is built up in layers by melting a corresponding semi-finished product and depositing it in layers first on a substrate, then on already existing parts of the workpiece and support structures.
  • the semi-finished product is basically thermoplastic, such as PLA (polyactide, polylactic acid).
  • PLA polyactide, polylactic acid
  • a print head When the workpiece is built up in layers, a print head is usually moved horizontally, ie in the XY plane and, at the same time, webs of material are brought up with the print head. When a layer is completed, the print head is usually moved vertically upwards, i.e. in the Z direction, and a further layer is started. Therefore, those parts of the workpiece which are perpendicular or at a steep angle during manufacture usually do not pose any problems. need a support tongue. These are usually generated automatically by the software and added to the workpiece.
  • the disadvantage of the support structures is that they lead to a considerable increase in the printing time in the case of workpieces with many horizontal surfaces, since they have to be created layer by layer, just like the workpiece itself. In addition, they also lead to an increased consumption of raw material.
  • a further disadvantage is that the support structures have to be removed after the workpiece has been created, which is not easy to automate and is difficult to carry out with some workpiece geometries.
  • Such a device has, in addition to the actuators for the X, Y and Z directions, which are arranged in the print head and / or the substrate, two further actuators. These can be, for example, motors for a rotational movement of the substrate, which allow tilting and / or rotation of the substrate. In other embodiments, the print head itself can also be rotatably arranged.
  • the print head works unchanged, ie it applies a layer in the XY plane and is then moved in the Z plane in order to begin the next layer.
  • the substrate and thus the finished part of the workpiece can be tilted or rotated.
  • a material web printed next is no longer parallel to one or more previous material webs. Since the material webs can in many cases be created in such a way that they come to rest on previous material webs, there is no need for some or even all of the support structures. This speeds up 3D printing considerably.
  • the disadvantage of this five-axis printing process compared to the conventional process is that in the five-axis process, at least in part, layers of different thicknesses th must be generated. The quality of a currently printed material web is reduced if the layer thickness actually printed does not match the geometrically required layer thickness.
  • a first aspect of the invention is a device for the five-axis additive production of a workpiece by means of material extrusion with the features of claim 1.
  • the device according to the invention for the five-axis additive production of a workpiece by means of material extrusion comprises a conveying device for providing a volumetric flow of a raw material and a print head for applying the raw material to a substrate or already existing parts of the workpiece. It further comprises a first positioning device for three-dimensional positioning of the print head and a second positioning device for three-dimensional positioning of the substrate, the second positioning device comprising means for rotating and / or pivoting the substrate.
  • it is a device that is designed for five-axis additive manufacturing, in which two further degrees of freedom are added to a relative movement from print head to substrate in the three spatial directions.
  • the device further comprises a control device for controlling the conveying device and the positioning devices.
  • the control device is designed for a predefinable starting point and a predefinable destination point o- to determine a path for a predeterminable relative movement from the momentary point to the target point for a movement of the print head and to control the print head on the path from the starting point to the target point.
  • a new path can be given in the form of a three- or five-axis specification with values for X, Y, Z, B or A and C, with the numbers given for each an incremental distance or absolute position specification in the respective polar or Cartesian coordinate system.
  • the device determines and interpolates from this the current, speed and position setpoint specifications for regulating the motors that are used for positioning.
  • control device is designed to determine and set the volume flow of the raw material provided by the conveying device when driving through the path on the basis of a value for the total material volume and a predeterminable curve for the volume flow across the path.
  • the value for the total volume can be an actual figure for the total volume of raw material that is to be used for the current web, but also a relative value, for example for a cumulative total volume to be consumed.
  • the predefinable course is an indication with which the Vorrich device can calculate whether and how the volume flow of the raw material is to be changed and distributed across the web. If the volume flow cannot be changed, the specification of the course is optional. However, if the volume flow needs to be changed, the course indicates how the change takes place.
  • the device can use a predetermined variable volume flow instead of a constant volume flow of raw material.
  • an intentionally variable thickness of the printed material web is advantageously sufficient, with which workpieces such as the pipe described at the beginning can advantageously be printed without excess material, material deficiency and without dividing the webs. It is particularly advantageous that this also enables five-axis 3D printing with a non-thermoplastic component in the raw material, such as a Kevlar, glass or carbon fiber, without necessarily using excess material, material shortages or denominations for certain material webs have to.
  • the denomination is particularly disadvantageous because the flow of force in the web is interrupted.
  • a second aspect of the invention is a method for the five-axis additive production of a workpiece by means of material extrusion with the features of claim 5.
  • raw material is conveyed to a print head.
  • the print head applies the raw material to a substrate or already existing parts of the workpiece.
  • the print head and / or the substrate are positioned three-dimensionally.
  • a path is determined for a movement of the print head and the print head is moved on the path from the starting point to the target point.
  • a new path can be given in the form of a three- and / or five-axis specification with values for X, Y, Z, A and C), the numbers given for this being an incremental distance specification or absolute can be loud target coordinates. From this, actual control specifications for the motors that are used for positioning are calculated.
  • the volume flow of the raw material provided is set on the basis of a value for the total material volume and a predeterminable course over the path.
  • the value for the total volume can be an actual figure for the total volume of raw material that is to be used for the current web, but also a relative value, for example for a cumulative total volume to be consumed.
  • a third aspect of the invention is a method for planning tool paths for the additive production of a workpiece by means of material extrusion with the features of claim 7.
  • a starting point and a target point for the path are determined from geometric data of the workpiece to be manufactured. Furthermore, a course for the volume flow of the raw material and a total material volume for the web are determined from the geometric data.
  • the starting point and the target point or an indication of the relative movement from the starting point to the target point are then output in a control file for a device for the additive manufacturing of a workpiece, or directly to the device.
  • the total volume of material and the history are output to the control file or to the device.
  • the value for the total volume can in turn be an actual figure for the total volume of raw material that is to be used for the current path, but also a relative value, for example for a cumulative total volume, which is preferably only displayed on the control system. tion is calculated on-the-fly using factors and variables.
  • the control device can be designed to determine the total material volume from an initial value for the starting point and an end value for the target point that is different from the initial value. This can be the case, for example, if there are accumulated values for the total material volume in the control data.
  • the control data can be a control file or data given directly to a device. Such data can take the following form, for example:
  • control code "E" denotes exactly the distance by which the raw material is to be conveyed through the heated print head with the aid of the conveyor unit during the movement to be carried out.
  • the control device can be designed to use a linear profile as the profile and to interpolate the volume flow linearly. For example, an upward or downward gradient can be used.
  • the control data can for example provide a control code followed by a slope for the linear course.
  • a value for the slope of 0 does not correspond to any slope and symbolizes an unchangeable volume flow, as it is already used in the prior art.
  • a positive value symbolizes an increase in the volume flow.
  • the initial and final volume flow and all values in between can be calculated from the gradient and the total amount of raw material.
  • the control device can be designed to use a non-linear profile as the profile, for example a polynomial profile.
  • a non-linear profile for example a polynomial profile.
  • An example of such a course is a square or cubic course.
  • the control data then contain control codes that contain the necessary information for the polynomial curve, for example the coefficients of the polynomial.
  • a non-linear course it is possible that values for the volume flow occur which leave the range that is spanned by the volume flow at the beginning and at the end of the path.
  • control device is designed to include the current speed of the print head relative to the workpiece when determining a current volume flow. This ensures that fluctuations in this speed do not lead to over- or under-extrusion or - in the case of non-thermoplastic materials - to stresses in the material.
  • control data can contain a control code which, instead of a speed-independent value for the volume flow, contains a base value that is multiplied by the control device by the current speed.
  • the current speed is a measured speed and therefore does not correspond to the target speed at all points.
  • the device preferably comprises a measuring device which allows the actual speed of the print head to be determined. - The following steps can be provided for planning tool paths:
  • a computer program that can be loaded directly into a memory of an electronic computing device can comprise program means in order to carry out the steps of the method for planning tool paths when the computer program is executed in an electronic computing device.
  • the computer program can be stored on an electronically readable data carrier with electronically readable control information stored on it, the control information being designed in such a way that it carries out the method for planning tool paths when the data carrier is used in an electronic computing device.
  • Figure 1 is a three-dimensional view of a workpiece to be manufactured
  • FIG. 2 shows a device for the five-axis additive manufacturing of the workpiece
  • Figure 3 shows a production scheme from material webs for a side wall of the workpiece in the five-axis process
  • Figure 4 tracks for the layer thickness for several material tracks.
  • FIG. 10 A three-dimensional representation of a virtual workpiece 10 is shown in FIG.
  • the workpiece 10 is present as an input in a CAD system, so as a three-dimensional model. Such three-dimensional models are used as input data for additive manufacturing processes.
  • the workpiece 10 is a curved tube with a rectangular cross section.
  • the workpiece is broken down into horizontal layers of equal thickness by a computer program, which is usually referred to as a "slicer" Direction for additive manufacturing, along which the print head is moved during production. These paths include those paths in which no raw material is applied and paths in which raw material is applied and the workpiece is thus built up.
  • the determined paths and further control information is output in a control file that can be read by a 3D printer or transmitted directly to the 3D printer.
  • a control file usually has a numerical control (NC, CNC) format such as gcode.
  • NC numerical control
  • the print head is a device into which raw material, for example PLA or PA or PETG, is introduced and at least partially melted. In many cases, but not necessarily, the raw material is brought in as filament. By means of a nozzle, the print head can print material webs from the molten raw material onto the substrate 11 or existing parts of the workpiece.
  • the substrate 11 is a platform on which the workpiece is generated and which carries the workpiece 10 until completion.
  • the term "tracks for the printhead” herein always includes “tracks for the printhead and / or the substrate 11". All paths are therefore always movements of the print head relative to the workpiece, which are brought about either by movements and / or rotations of the print head or of the substrate 11 or both.
  • a corresponding device is shown schematically and partially in FIG.
  • a first positioning device 13 carries the print head 12.
  • the first positioning device 13 is used to position the print head in all spatial directions X, Y and Z.
  • a second positioning device 14 carries the substrate 11.
  • the second positioning device 14 is used to rotate the substrate 11. In FIG. 2, the substrate 11 carries the partially completed workpiece 10.
  • the 3D printer is designed to rotate the substrate.
  • the substrate 11 is always rotated during the manufacture of the workpiece 10 so that the fol lowing layer is applied largely horizontally by the print head.
  • the workpiece 10 is manufactured azimuthally in this example, i.e. following the pipe axis. A part of the material webs 20, which the print head has to generate in the walls of the workpiece 10, is shown in the production diagram of FIG.
  • the material webs 20 shown in FIG. 3 show that the layer thickness of the raw material that has to be deposited along the material webs 20 is not constant. This is in contrast to the currently common 3D printing processes, in which all workpieces are broken down into layers of constant thickness.
  • the thickness of one layer can differ from the thickness of another layer. But within one shift, the required thickness of raw material is constant. Here, however, the required thickness of the raw material changes within one shift. Therefore, the computer program that generates the control information for printing must also be changed compared to conventional slicers.
  • the computer program When determining the material webs 20 and creating the control file, the computer program must take into account the possible rotations of a five-axis 3D printer. For an exemplary material web 21, a starting point and a target point 22, 23 are determined, which represent the beginning and end of the material web 21.
  • the computer program also determines an initial value for the volume flow for the raw material. The initial value for the volume flow is present at the starting point 22 of the material web 21. The initial value can correspond to the final value for the volume flow at the target point of a material web 24 directly preceding it.
  • the computer program also determines an end value for the volume flow for the raw material. The end value for the volume flow is present at the target point 23 of the material web 21.
  • the initial value and the end value for the volume flow can be the same or different. With the same initial and final value, these values can differ from those of other material webs 20.
  • the volume flow is then taken over by the computer program as a fixed value in the respective record of the control file.
  • the 3D printer can then adjust the volume flow when producing the web of material 20 according to the required value by adjusting the feed of the raw material, for example the advance of the filament, accordingly.
  • the volume flow is not constant over the course of the material web 21. This is the case, for example, with the material web 21 in FIG.
  • the material web 21 runs radially from the inside of the curvature of the workpiece 10 to the outside.
  • a constant value for the volume flow of the raw material leads to an excess of material on the inside and / or a lack of material on the outside. Both lead to a reduced workpiece quality.
  • a lack of material causes a reduced strength of the material, while an excess of material disadvantageously leads to geometric deviations.
  • thermoplastic material such as PLA
  • printing is carried out with a non-meltable content, for example a Kevlar fiber, printing with an increased number of layers is even more disadvantageous, since the flow of force in the fiber is interrupted by the division and the mechanical strength of the component is thereby reduced.
  • the stair step effect creates additional macropores in such places, which further worsen the mechanical properties.
  • a code is also added to the control file, which symbolizes the course of the volume flow between the start and end values.
  • the code stands for a type of polynomial curve, in the simplest case a linear curve.
  • FIG. 4 shows an exemplary linear course 31 of the volume flow between exemplary initial and final values for the material web 21.
  • the portion of the material web 21 that has already been traveled is plotted on the X axis, so FIG. 3 does not show the position of the web in space.
  • Another course 32 is the volume flow for a second material web 25, which connects to the material web 21. While the volume flow for the material web 21 increases over the distance, since this material web 21 runs from the inside to the outside of the curvature of the workpiece, the position for the material web 25 is reversed.
  • Another profile 33 that is not used in the workpiece 10 but is possible shows that the profile of the volume flow does not have to be linear, but can also be square, for example.
  • the value range between the start and end value can also be left in between.
  • control information in the form of a gcode file can look like this if, according to the state of the art, a fixed amount of material is used per applied material path:
  • the E-value indicates the amount of material to be used as a cumulative value. However, if an amount of material that is linearly variable across the web is requested, corresponding control information could be generated and sent to the 3D printer. The following linear course is used
  • m is the gradient of the linear course i.e. the unit of a volume flow and must be calculated accordingly.
  • the corresponding control code could look like this, for example:
  • the linear function is defined by a 1st degree polynomial, the syntax of which is described above.
  • a further embodiment provides that the spindle speed, i.e. the measure of the feed speed of the filament to be processed, i.e. the raw material, which in connection with the travel speed is decisive for the volume flow of the raw material, is determined using a function that is partially calculated using a formula and is additionally calculated by the device.
  • the formula includes material-dependent and, above all, geometric and time-dependent factors in the calculation of the spindle speed.
  • a constant, material-dependent factor is determined experimentally. This is primarily dependent on the rheological behavior, i.e. the temperature and viscosity of the polymer material. It also includes the nozzle size and composition. Then a constant, machine-dependent factor is determined, which takes into account the built-in mechanics or transmission and transmission side of the machine.
  • VExtrusion is the volume flow rate of the raw material
  • a ßahn is the cross-section of the material web, i.e. the width times the height
  • a filament is the cross-section of the filament of the raw material, i.e. a constant for printing
  • K korr is a constant for other relevant process variables
  • a chain of several sets of the control codes could look like this, for example:
  • linear curves are used for the volume flow of the extrusion.
  • the specification * Vi st ensures that no completely constant volume flow is used with these control codes, but a volume flow that is dependent on the current measured speed of the print head.
  • the measured speed is used in addition to the polynomial (here linear) course of the volume flow.
  • the volume flow is changed linearly over the course of the path and also adapted to the current, measured speed.

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Abstract

Apparatus for the five-axis additive manufacturing of a workpiece by means of material extrusion, having - a feeder for supplying a volume flow of a raw material, - a printing head for applying the raw material to a substrate or existing parts of the workpiece, - a first positioning device for the three-dimensional positioning of the printing head, - a second positioning device for the three-dimensional positioning of the substrate, wherein the second positioning device comprises means for rotating the substrate, - and a control device for activating the feeder and the positioning devices, wherein the control device is configured - to determine a path, for a predefinable starting point and a predefinable destination point, for movement of the printing head and to control the printing head on the path from the starting point to the destination point, - and to determine and set the volume flow of raw material supplied by the feeder, as the printing head travels over the path, on the basis of a value for the overall material volume and a predefinable profile for the volume flow over the path.

Description

Beschreibung description
Vorrichtung und Verfahren für die additive Herstellung eines Werkstücks Device and method for additive manufacturing of a workpiece
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für die additive Herstellung eines Werkstücks mittels Materi alextrusion. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Planung von Werkzeugpfaden für additive Herstellung eines Werkstücks mittels Materialextrusion. The invention relates to a device and a method for the additive production of a workpiece by means of materi alextrusion. The invention also relates to a method for planning tool paths for additive manufacturing of a workpiece by means of material extrusion.
Ein mögliches Verfahren zur additiven Herstellung eines Werk stücks, umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, ist die Materialextrusion. Dieses Verfahren ist unter anderem auch unter den Kürzeln MEX (Material Extrusion), FDM® (Fused Deposition Modeling), FLM (Fused Layer Manufacturing) und FFF (Fused Filament Fabrication) bekannt. Dabei wird das Werk stück schichtweise aufgebaut, indem ein entsprechendes Halb zeug aufgeschmolzen und schichtweise zuerst auf ein Substrat, dann auf bereits bestehende Teile des Werkstücks und Stütz strukturen abgeschieden wird. Bei dem Halbzeug handelt es sich grundsätzlich um thermoplastische Kunststoffe, wie zum Beispiel PLA (Polyactide, Polymilchsäure). Auch ist es bei spielsweise möglich, dass besondere Rohmaterialien wie eine in das Rohmaterial gefasste Faser mit aufgetragen wird, wobei diese zweckmäßig dabei nicht aufgeschmolzen wird. One possible method for the additive manufacturing of a workpiece, also known colloquially as 3D printing, is material extrusion. This method is known, inter alia, under the abbreviated MEX (material extrusion), FDM ® (Fused Deposition Modeling), FLM (Fused Layer Manufacturing) and FFF (Fused filament Fabrication). The work piece is built up in layers by melting a corresponding semi-finished product and depositing it in layers first on a substrate, then on already existing parts of the workpiece and support structures. The semi-finished product is basically thermoplastic, such as PLA (polyactide, polylactic acid). It is also possible, for example, for special raw materials, such as a fiber set in the raw material, to be applied as well, which is expediently not melted in the process.
Beim schichtweisen Aufbau des Werkstücks wird üblicherweise ein Druckkopf horizontal, d.h. in der X-Y-Ebene bewegt und gleichzeitig werden mit dem Druckkopf Material-Bahnen aufge bracht. Ist eine Schicht fertiggestellt, wird üblicherweise der Druckkopf senkrecht nach oben, also in Z-Richtung bewegt und eine weitere Schicht begonnen. Daher stellen solche Teile des Werkstücks, die bei der Herstellung senkrecht oder in ei nem steilen Winkel stehen, üblicherweise keine Probleme dar. Horizontale Teile oder in flachem Winkel stehende Flächen da gegen, die nicht direkt auf dem Substrat oder darunterliegen den Teilen des Werkstücks aufliegen, benötigen eine Abstüt- zung. Diese werden durch die Software üblicherweise automati siert erzeugt und dem Werkstück zugefügt. Nachteilig an den Stützstrukturen ist, dass sie bei Werkstücken mit vielen ho rizontalen Flächen zu einer erheblichen Verlängerung der Druckzeit führen, da sie genau wie das Werkstück selbst Schicht für Schicht erstellt werden müssen. Daneben führen sie auch zu einem Mehrverbrauch an Rohmaterial. Weiterhin ist nachteilig, dass die Stützstrukturen nach der Erstellung des Werkstücks entfernt werden müssen, was nicht leicht automati sierbar ist und bei manchen Werkstück-Geometrien schwierig durchzuführen ist. When the workpiece is built up in layers, a print head is usually moved horizontally, ie in the XY plane and, at the same time, webs of material are brought up with the print head. When a layer is completed, the print head is usually moved vertically upwards, i.e. in the Z direction, and a further layer is started. Therefore, those parts of the workpiece which are perpendicular or at a steep angle during manufacture usually do not pose any problems. need a support tongue. These are usually generated automatically by the software and added to the workpiece. The disadvantage of the support structures is that they lead to a considerable increase in the printing time in the case of workpieces with many horizontal surfaces, since they have to be created layer by layer, just like the workpiece itself. In addition, they also lead to an increased consumption of raw material. A further disadvantage is that the support structures have to be removed after the workpiece has been created, which is not easy to automate and is difficult to carry out with some workpiece geometries.
Diesen Nachteilen kann begegnet werden, indem eine Vorrich tung für den fünfachsigen 3D-Druck verwendet wird. Eine sol che Vorrichtung hat neben den Aktoren für die X-, Y- und Z- Richtung, die im Druckkopf und/oder dem Substrat angeordnet sind, zwei weitere Aktoren. Diese können beispielsweise Moto ren für eine Drehbewegung des Substrats sein, die ein Verkip pen und/oder Rotieren des Substrats erlauben. In anderen Aus führungen kann auch der Druckkopf selbst rotierbar angeordnet sein. These disadvantages can be countered by using a device for five-axis 3D printing. Such a device has, in addition to the actuators for the X, Y and Z directions, which are arranged in the print head and / or the substrate, two further actuators. These can be, for example, motors for a rotational movement of the substrate, which allow tilting and / or rotation of the substrate. In other embodiments, the print head itself can also be rotatably arranged.
In der erstgenannten Alternative, d.h. bei rotier- und/oder schwenkbarem Substrat, arbeitet der Druckkopf unverändert, d.h. er trägt eine Schicht in der X-Y-Ebene auf und wird dann in der Z-Ebene verfahren, um die nächste Schicht zu beginnen. Zusätzlich kann jedoch in Abhängigkeit von der Werkstück- Geometrie das Substrat und somit der fertige Teil des Werk stücks verkippt oder verdreht werden. Dadurch liegt eine nächstfolgend gedruckte Materialbahn nicht mehr parallel zu einer oder mehreren vorherigen Materialbahnen. Da die Materi albahnen dadurch in vielen Fällen so erzeugt werden können, dass sie auf vorherigen Materialbahnen zu liegen kommen, ent fällt die Notwendigkeit für einen Teil oder sogar alle Stütz strukturen. Dadurch wird der 3D-Druck erheblich beschleunigt. Nachteilig an diesem fünfachsigen Druckverfahren gegenüber dem herkömmlichen Verfahren ist aber, dass beim fünfachsigen Verfahren wenigstens teilweise unterschiedlich dicke Schich- ten erzeugt werden müssen. Die Qualität einer aktuell ge druckten Materialbahn wird vermindert, wenn die tatsächlich gedruckte Schichtdicke nicht zu der geometrisch erforderli chen Schichtdicke passt. In the first-mentioned alternative, ie with a rotatable and / or pivotable substrate, the print head works unchanged, ie it applies a layer in the XY plane and is then moved in the Z plane in order to begin the next layer. In addition, however, depending on the workpiece geometry, the substrate and thus the finished part of the workpiece can be tilted or rotated. As a result, a material web printed next is no longer parallel to one or more previous material webs. Since the material webs can in many cases be created in such a way that they come to rest on previous material webs, there is no need for some or even all of the support structures. This speeds up 3D printing considerably. The disadvantage of this five-axis printing process compared to the conventional process is that in the five-axis process, at least in part, layers of different thicknesses th must be generated. The quality of a currently printed material web is reduced if the layer thickness actually printed does not match the geometrically required layer thickness.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die fünfachsige additive Herstellung eines Werkstücks mittels Materialextrusion anzugeben, die die eingangs genannten Nachteile vermeiden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Planung von Werkzeugpfaden für die additive Herstellung eines Werk stücks mittels Materialextrusion anzugeben, das die eingangs genannten Nachteile vermeidet. It is the object of the present invention to provide a device and a method for the five-axis additive production of a workpiece by means of material extrusion, which avoid the disadvantages mentioned at the beginning. Another object of the present invention is to provide a method for planning tool paths for the additive production of a workpiece by means of material extrusion, which method avoids the disadvantages mentioned at the beginning.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung für die fünfachsige additive Herstellung eines Werkstücks mittels Ma terialextrusion mit den Merkmalen von Anspruch 1. A first aspect of the invention is a device for the five-axis additive production of a workpiece by means of material extrusion with the features of claim 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die fünfachsige additive Herstellung eines Werkstücks mittels Materialextrusion um fasst eine Fördervorrichtung zur Bereitstellung eines Volu menstroms eines Rohmaterials und einen Druckkopf zur Aufbrin gung des Rohmaterials auf ein Substrat oder bereits bestehen de Teile des Werkstücks. Sie umfasst weiterhin eine erste Po- sitionier-Einrichtung zur dreidimensionalen Positionierung des Druckkopfs und eine zweite Positionier-Einrichtung zur dreidimensionalen Positionierung des Substrats, wobei die zweite Positionier-Einrichtung Mittel zur Drehung und/oder Schwenkung des Substrats umfasst. Es handelt sich mit anderen Worten um eine Vorrichtung, die für die fünfachsige additive Herstellung ausgestaltet ist, bei der zu einer relativen Be wegung von Druckkopf zu Substrat in den drei Raumrichtungen noch zwei weitere Freiheitsgrade dazukommen. The device according to the invention for the five-axis additive production of a workpiece by means of material extrusion comprises a conveying device for providing a volumetric flow of a raw material and a print head for applying the raw material to a substrate or already existing parts of the workpiece. It further comprises a first positioning device for three-dimensional positioning of the print head and a second positioning device for three-dimensional positioning of the substrate, the second positioning device comprising means for rotating and / or pivoting the substrate. In other words, it is a device that is designed for five-axis additive manufacturing, in which two further degrees of freedom are added to a relative movement from print head to substrate in the three spatial directions.
Die Vorrichtung umfasst ferner eine Steuereinrichtung zur An steuerung der Fördervorrichtung und der Positioniereinrich tungen. Die Steuereinrichtung ist ausgestaltet, für einen vorgebbaren Ausgangspunkt und einen vorgebbaren Zielpunkt o- der für eine vorgebbare relative Bewegung vom augenblickli chen Punkt zu dem Zielpunkt für eine Bewegung des Druckkopfs eine Bahn zu ermitteln und den Druckkopf auf der Bahn vom Ausgangspunkt zum Zielpunkt zu steuern. Beispielsweise kann eine neue Bahn in der Form von einer drei- oder fünfachsigen Angabe mit Werten für X, Y, Z, B oder A und C gegeben sein, wobei die dafür jeweils gegebenen Zahlen eine inkrementeile Entfernungs- oder absolute Positionsangabe im jeweiligen po lar- oder kartesischen Koordinatensystem sein können. Die Vorrichtung ermittelt und interpoliert daraus die Strom-, Drehzahl- und Lagesollwertvorgaben für die Regelung der Moto ren, die zur Positionierung verwendet werden. The device further comprises a control device for controlling the conveying device and the positioning devices. The control device is designed for a predefinable starting point and a predefinable destination point o- to determine a path for a predeterminable relative movement from the momentary point to the target point for a movement of the print head and to control the print head on the path from the starting point to the target point. For example, a new path can be given in the form of a three- or five-axis specification with values for X, Y, Z, B or A and C, with the numbers given for each an incremental distance or absolute position specification in the respective polar or Cartesian coordinate system. The device determines and interpolates from this the current, speed and position setpoint specifications for regulating the motors that are used for positioning.
Ferner ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, den durch die Fördervorrichtung bereitgestellten Volumenstrom des Rohmate rials bei Durchfahren der Bahn anhand von einem Wert für das Material-Gesamtvolumen und einem vorgebbaren Verlauf für den Volumenstrom über die Bahn hinweg zu ermitteln und einzustel len. Der Wert für das Gesamtvolumen kann dabei eine tatsäch liche Zahlenangabe für das Gesamtvolumen an Rohmaterial sein, das für die aktuelle Bahn verwendet werden soll, aber auch eine relative Angabe, beispielsweise für ein kumuliertes, zu verbrauchendes Gesamtvolumen. Furthermore, the control device is designed to determine and set the volume flow of the raw material provided by the conveying device when driving through the path on the basis of a value for the total material volume and a predeterminable curve for the volume flow across the path. The value for the total volume can be an actual figure for the total volume of raw material that is to be used for the current web, but also a relative value, for example for a cumulative total volume to be consumed.
Der vorgebbare Verlauf ist eine Angabe, mit der die Vorrich tung errechnen kann, ob und wie der Volumenstrom des Rohmate rials über die Bahn hinweg zu verändern und zu verteilen ist. Wenn der Volumenstrom nicht zu verändern ist, ist die Angabe des Verlaufs optional. Ist der Volumenstrom aber zu ändern, gibt der Verlauf an, wie die Veränderung abläuft. The predefinable course is an indication with which the Vorrich device can calculate whether and how the volume flow of the raw material is to be changed and distributed across the web. If the volume flow cannot be changed, the specification of the course is optional. However, if the volume flow needs to be changed, the course indicates how the change takes place.
Dadurch kann die Vorrichtung anstelle eines konstanten Volu menstroms an Rohmaterial einen vorbestimmt veränderlichen Vo lumenstrom verwenden. Dadurch wird vorteilhaft eine absicht lich veränderliche Dicke der gedruckten Materialbahn er reicht, mit der Werkstücke wie das eingangs beschriebene Rohr vorteilhaft ohne Materialüberschuss, Materialunterschuss und ohne Stückelung von Bahnen gedruckt werden kann. Besonders vorteilhaft ist, dass dadurch auch ein fünfachsiger 3D-Druck mit einem nicht thermoplastischen Anteil im Rohmate rial wie beispielsweise einer Kevlar-, Glas- oder Carbon- Faser ermöglicht wird, ohne dabei bei bestimmten Materialbah nen zwangsläufig Materialüberschuss, Materialmangel oder eine Stückelung verwenden zu müssen. Die Stückelung ist besonders nachteilig, da der Kraftfluss in der Bahn unterbrochen wird. As a result, the device can use a predetermined variable volume flow instead of a constant volume flow of raw material. As a result, an intentionally variable thickness of the printed material web is advantageously sufficient, with which workpieces such as the pipe described at the beginning can advantageously be printed without excess material, material deficiency and without dividing the webs. It is particularly advantageous that this also enables five-axis 3D printing with a non-thermoplastic component in the raw material, such as a Kevlar, glass or carbon fiber, without necessarily using excess material, material shortages or denominations for certain material webs have to. The denomination is particularly disadvantageous because the flow of force in the web is interrupted.
Das genannte Problem tritt wie eingangs beschrieben bei Mate rialbahnen auf, die rein geometrisch keilförmig sein müssten. Da keilförmige Bahnen bei einem herkömmlichen dreiachsigen und daher rein schichtorientierten 3D-Druck nicht Vorkommen, stellt sich bei solchen Vorrichtungen das Problem nicht. Die erfindungsgemäße Lösung ist speziell angepasst an den fünf- achsigen 3D-Druck. The problem mentioned occurs, as described at the beginning, with material webs that would have to be wedge-shaped purely geometrically. Since wedge-shaped paths do not occur in conventional three-axis and therefore purely layer-oriented 3D printing, the problem does not arise with such devices. The solution according to the invention is specially adapted to five-axis 3D printing.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren für die fünfachsige additive Herstellung eines Werkstücks mittels Ma terialextrusion mit den Merkmalen von Anspruch 5. Bei dem er findungsgemäßen Verfahren wird Rohmaterial zu einem Druckkopf gefördert. Der Druckkopf bringt das Rohmaterial auf ein Sub strat oder bereits bestehende Teile des Werkstücks auf. Dabei werden der Druckkopf und/oder das Substrat dreidimensional positioniert. A second aspect of the invention is a method for the five-axis additive production of a workpiece by means of material extrusion with the features of claim 5. In the method according to the invention, raw material is conveyed to a print head. The print head applies the raw material to a substrate or already existing parts of the workpiece. The print head and / or the substrate are positioned three-dimensionally.
Für einen vorgebbaren Ausgangspunkt und einen vorgebbaren Zielpunkt oder für eine vorgebbare relative Bewegung vom au genblicklichen Punkt zu dem Zielpunkt wird für eine Bewegung des Druckkopfs eine Bahn ermittelt und der Druckkopf auf der Bahn vom Ausgangspunkt zum Zielpunkt bewegt. Wie bei der er findungsgemäßen Vorrichtung kann eine neue Bahn in der Form von einer drei- und/oder fünfachsigen Angabe mit Werten für X, Y, Z, A und C) gegeben sein, wobei die dafür jeweils gege benen Zahlen eine inkrementeile Entfernungsangabe oder abso lute Zielkoordinaten sein können.. Daraus werden tatsächliche Steuerungsvorgaben für die Motoren, die zur Positionierung verwendet werden, berechnet. Bei Durchfahren der Bahn wird der bereitgestellte Volumen- strom des Rohmaterials anhand von einem Wert für das Materi al-Gesamtvolumen und einem vorgebbaren Verlauf über die Bahn hinweg eingestellt. Auch hier kann der Wert für das Gesamtvo lumen eine tatsächliche Zahlenangabe für das Gesamtvolumen an Rohmaterial sein, das für die aktuelle Bahn verwendet werden soll, aber auch eine relative Angabe, beispielsweise für ein kumuliertes, zu verbrauchendes Gesamtvolumen. For a predeterminable starting point and a predeterminable target point or for a predeterminable relative movement from the instantaneous point to the target point, a path is determined for a movement of the print head and the print head is moved on the path from the starting point to the target point. As with the device according to the invention, a new path can be given in the form of a three- and / or five-axis specification with values for X, Y, Z, A and C), the numbers given for this being an incremental distance specification or absolute can be loud target coordinates. From this, actual control specifications for the motors that are used for positioning are calculated. When traveling through the path, the volume flow of the raw material provided is set on the basis of a value for the total material volume and a predeterminable course over the path. Here, too, the value for the total volume can be an actual figure for the total volume of raw material that is to be used for the current web, but also a relative value, for example for a cumulative total volume to be consumed.
Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Pla nung von Werkzeugpfaden für die additive Herstellung eines Werkstücks mittels Materialextrusion mit den Merkmalen von Anspruch 7. A third aspect of the invention is a method for planning tool paths for the additive production of a workpiece by means of material extrusion with the features of claim 7.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Planung einer Bahn für ein fünfachsiges additives Fertigungsverfahren, bei dem mittels Materialextrusion Rohmaterial auf einem Substrat oder bereits bestehende Teile eines herzustellenden Werkstücks aufgebracht wird und bei dem das Substrat gedreht wird, wobei ein Druckkopf entlang der Bahn zu bewegen ist, wird ein Aus gangspunkt und ein Zielpunkt für die Bahn aus geometrischen Daten des herzustellenden Werkstücks ermittelt. Weiterhin wird ein Verlauf für den Volumenstrom des Rohmaterials sowie ein Material-Gesamtvolumen für die Bahn aus den geometrischen Daten ermittelt. In the method according to the invention for planning a path for a five-axis additive manufacturing process, in which raw material is applied to a substrate or already existing parts of a workpiece to be produced by means of material extrusion and in which the substrate is rotated, with a print head being moved along the path a starting point and a target point for the path are determined from geometric data of the workpiece to be manufactured. Furthermore, a course for the volume flow of the raw material and a total material volume for the web are determined from the geometric data.
Ausgangspunkt und Zielpunkt oder eine Angabe für die relative Bewegung vom Ausgangspunkt zum Zielpunkt werden in der Folge in eine Steuerungsdatei für eine Vorrichtung für die additive Herstellung eines Werkstücks, oder direkt an die Vorrichtung, ausgegeben. Schließlich wird das Material-Gesamtvolumen und der Verlauf in die Steuerungsdatei oder an die Vorrichtung ausgegeben. Dabei kann der Wert für das Gesamtvolumen wiede rum eine tatsächliche Zahlenangabe für das Gesamtvolumen an Rohmaterial sein, das für die aktuelle Bahn verwendet werden soll, aber auch eine relative Angabe, beispielsweise für ein kumuliertes Gesamtvolumen, das bevorzugt erst auf der Steue- rung on-the-fly mittels Faktoren und Variablen berechnet wird. The starting point and the target point or an indication of the relative movement from the starting point to the target point are then output in a control file for a device for the additive manufacturing of a workpiece, or directly to the device. Finally, the total volume of material and the history are output to the control file or to the device. The value for the total volume can in turn be an actual figure for the total volume of raw material that is to be used for the current path, but also a relative value, for example for a cumulative total volume, which is preferably only displayed on the control system. tion is calculated on-the-fly using factors and variables.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrich tung und Verfahren gehen aus den abhängigen Ansprüchen her vor. Dabei können die Ausführungsformen der unabhängigen An sprüche mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vor zugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombi niert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merk male vorgesehen werden: Advantageous refinements of the device and method according to the invention proceed from the dependent claims. The embodiments of the independent claims can be combined with the features of one of the subclaims or preferably also with those from several subclaims. Accordingly, the following features can also be provided:
- Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, das Material- Gesamtvolumen aus einem Anfangswert für den Ausgangspunkt und einem vom Anfangswert verschiedenen Endwert für den Zielpunkt zu ermitteln. Das kann beispielsweise der Fall sein, wenn ku mulierte Werte für das Material-Gesamtvolumen in den Steue rungsdaten vorliegen. Die Steuerungsdaten können eine Steue rungsdatei oder direkt an eine Vorrichtung gegebene Daten sein. Solche Daten können beispielsweise die folgende Form haben: The control device can be designed to determine the total material volume from an initial value for the starting point and an end value for the target point that is different from the initial value. This can be the case, for example, if there are accumulated values for the total material volume in the control data. The control data can be a control file or data given directly to a device. Such data can take the following form, for example:
Gl XI86.618 Y188.729 E2.5251 Gl X187.235 Y188.436 E2.54101 Gl X187.882 Y188.217 E2.55691 Eq XI86.618 Y188.729 E2.5251 Eq X187.235 Y188.436 E2.54101 Eq X187.882 Y188.217 E2.55691
Hierbei bezeichnet die meist inkrementeile Zahlenangabe nach dem Steuercode „E" genau die Strecke, um die das Rohmaterial während der durchzuführenden Bewegung mithilfe der Förderein heit durch den beheizten Druckkopf gefördert werden soll. Mithilfe der Getriebeübersetzung kann somit die erforderliche Motordrehzahl an die Steuereinheit weitergegeben werden. The mostly incremental number after the control code "E" denotes exactly the distance by which the raw material is to be conveyed through the heated print head with the aid of the conveyor unit during the movement to be carried out.
- Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, als Verlauf einen linearen Verlauf zu verwenden und den Volumenstrom li near zu interpolieren. Beispielsweise kann ein ansteigender oder abfallender Verlauf verwendet werden. Die Steuerdaten können beispielsweise einen Steuercode vorsehen, der gefolgt ist von einer Steigung für den linearen Verlauf. Ein Wert für die Steigung von 0 entspricht keiner Steigung und symboli siert einen unveränderlichen Volumenstrom, wie er bereits im Stand der Technik verwendet wird. Ein positiver Wert symboli siert ein Ansteigen des Volumenstroms. Aus der Steigung und der Gesamtmenge an Rohmaterial können Anfangs- und Endvolu menstrom sowie alle Werte dazwischen errechnet werden. The control device can be designed to use a linear profile as the profile and to interpolate the volume flow linearly. For example, an upward or downward gradient can be used. The control data can for example provide a control code followed by a slope for the linear course. A value for the slope of 0 does not correspond to any slope and symbolizes an unchangeable volume flow, as it is already used in the prior art. A positive value symbolizes an increase in the volume flow. The initial and final volume flow and all values in between can be calculated from the gradient and the total amount of raw material.
- Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, als Verlauf einen nichtlinearen Verlauf zu verwenden, beispielsweise ei nen polynomialen Verlauf. Ein Beispiel für einen solchen Ver lauf ist ein quadratischer oder kubischer Verlauf. Die Steu erdaten enthalten dann Steuercodes, die die nötigen Angaben für den polynomialen Verlauf enthalten, beispielsweise die Koeffizienten des Polynoms. Bei einem nichtlinearen Verlauf ist es möglich, dass Werte für den Volumenstrom auftreten, die den Bereich verlassen, der durch den Volumenstrom zu Be ginn und zum Ende der Bahn aufgespannt wird. The control device can be designed to use a non-linear profile as the profile, for example a polynomial profile. An example of such a course is a square or cubic course. The control data then contain control codes that contain the necessary information for the polynomial curve, for example the coefficients of the polynomial. In the case of a non-linear course, it is possible that values for the volume flow occur which leave the range that is spanned by the volume flow at the beginning and at the end of the path.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, bei der Ermittlung eines momentanen Volu menstroms die momentane Geschwindigkeit des Druckkopfs rela tiv zum Werkstück einzubeziehen. Hierdurch wird erreicht, dass Schwankungen dieser Geschwindigkeit nicht zu Über- oder Unterextrusion oder - im Falle von nicht-thermoplastischen Materialien - zu Spannungen im Material führen. Hierzu können die Steuerdaten einen Steuercode enthalten, der statt einem geschwindigkeitsunabhängigen Wert für den Volumenstrom einen Basiswert enthält, der von der Steuereinrichtung noch mit der momentanen Geschwindigkeit multipliziert wird. Die momentane Geschwindigkeit ist dabei eine gemessene Geschwindigkeit und entspricht deshalb nicht an allen Stellen der Sollgeschwin digkeit. Hierfür umfasst die Vorrichtung bevorzugt eine Mess einrichtung, die die Ermittlung der tatsächlichen Geschwin digkeit des Druckkopfes zulässt. - Zur Planung von Werkzeugpfaden können folgende Schritte vorgesehen sein: It is particularly advantageous if the control device is designed to include the current speed of the print head relative to the workpiece when determining a current volume flow. This ensures that fluctuations in this speed do not lead to over- or under-extrusion or - in the case of non-thermoplastic materials - to stresses in the material. For this purpose, the control data can contain a control code which, instead of a speed-independent value for the volume flow, contains a base value that is multiplied by the control device by the current speed. The current speed is a measured speed and therefore does not correspond to the target speed at all points. For this purpose, the device preferably comprises a measuring device which allows the actual speed of the print head to be determined. - The following steps can be provided for planning tool paths:
- Ermittlung eines Anfangswerts für den Volumenstrom des Roh materials für den Ausgangspunkt aus den geometrischen Daten,- Determination of an initial value for the volume flow of the raw material for the starting point from the geometric data,
- Ermittlung eines Endwerts für den Volumenstrom des Rohmate rials für den Zielpunkt aus den geometrischen Daten. - Determination of a final value for the volume flow of the raw material for the target point from the geometric data.
- Aus den Aspekten der Erfindung ergibt sich ein vorteilhaf tes Zusammenspiel, wenn das Verfahren zur Planung von Werk zeugpfaden verwendeten wird, um ein für ein gegebenes Werk stück Steuerdaten zu erstellen und diese dann mit der Vor richtung gemäß dem ersten Aspekt oder dem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt verarbeitet werden, um das Werkstück zu er stellen. Dabei versteht es sich, dass die additive Herstel lung des Werkstücks mit einer Vielzahl von so ermittelten Bahnen durchgeführt wird, derart, dass der Druckkopf entlang der ermittelten Bahnen bewegt wird, insbesondere während der Druckkopf das Rohmaterial abgibt und dadurch entlang der Bah nen ablegt. - From the aspects of the invention there is an advantageous interaction when the method for planning tool paths is used to create a piece of control data for a given workpiece and then with the device according to the first aspect or the method according to the second aspect are processed in order to provide the workpiece. It goes without saying that the additive production of the workpiece is carried out with a large number of paths determined in this way, in such a way that the print head is moved along the paths determined, in particular while the print head releases the raw material and thereby deposits it along the paths.
- Ein Computerprogramm, das direkt in einen Speicher einer elektronischen Recheneinrichtung ladbar ist, kann Programm- Mittel umfassen, um die Schritte des Verfahrens zur Planung von Werkzeugpfaden auszuführen, wenn das Computerprogramm in einer elektronischen Recheneinrichtung ausgeführt wird. A computer program that can be loaded directly into a memory of an electronic computing device can comprise program means in order to carry out the steps of the method for planning tool paths when the computer program is executed in an electronic computing device.
- Das Computerprogramm kann auf einem elektronisch lesbaren Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen gespeichert sein, wobei die Steuerinfor mationen derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer elektronischen Recheneinrichtung das Verfahren zur Planung von Werkzeugpfaden durchführen. The computer program can be stored on an electronically readable data carrier with electronically readable control information stored on it, the control information being designed in such a way that it carries out the method for planning tool paths when the data carrier is used in an electronic computing device.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen schematisch: In the following, the invention is described and explained in more detail using the exemplary embodiments shown in the figures. They show schematically:
Figur 1 eine räumliche Ansicht eines zu fertigenden Werk stücks, Figure 1 is a three-dimensional view of a workpiece to be manufactured,
Figur 2 eine Vorrichtung zur fünfachsigen additiven Fertigung des Werkstücks, FIG. 2 shows a device for the five-axis additive manufacturing of the workpiece,
Figur 3 ein Fertigungsschema aus Materialbahnen für eine Sei tenwand des Werkstücks im fünfachsigen Verfahren, Figure 3 shows a production scheme from material webs for a side wall of the workpiece in the five-axis process,
Figur 4 Verläufe für die Schichtdicke für mehrere Material bahnen. Figure 4 tracks for the layer thickness for several material tracks.
In Figur 1 ist eine räumliche Darstellung eines virtuellen Werkstücks 10 gezeigt. Das Werkstück 10 liegt dabei als Ein gabe in ein CAD-System vor, also als dreidimensionales Mo dell. Solche dreidimensionalen Modelle werden für Verfahren der additiven Fertigung als Eingangsdaten verwendet. Das Werkstück 10 ist ein gekrümmtes Rohr mit einem rechteckigen Querschnitt. A three-dimensional representation of a virtual workpiece 10 is shown in FIG. The workpiece 10 is present as an input in a CAD system, so as a three-dimensional model. Such three-dimensional models are used as input data for additive manufacturing processes. The workpiece 10 is a curved tube with a rectangular cross section.
Bei bekannten Verfahren für die additive Fertigung des Werk stücks wird das Werkstück von einem Computerprogramm, das üb licherweise als „Slicer" bezeichnet wird, in horizontale Schichten gleicher Dicke zerlegt. Aus diesen Schichten werden Bahnen für einen Druckkopf eines 3D-Druckers, also einer Vor richtung für die additive Fertigung, errechnet, entlang derer der Druckkopf bei der Fertigung bewegt wird. Diese Bahnen um fassen solche Pfade, bei denen kein Rohmaterial aufgebracht wird und solche Pfade, bei denen Rohmaterial aufgebracht wird und somit das Werkstück aufgebaut wird. Die ermittelten Pfade und weitere Steuerinformationen werden in eine Steuerungsda tei ausgegeben, die von einem 3D-Drucker gelesen werden kann, oder direkt an den 3D-Drucker übermittelt. Eine solche Steue rungsdatei hat üblicherweise ein Format der Numerischen Steu erungen (NC, CNC) wie beispielsweise gcode. Der Druckkopf ist dabei eine Vorrichtung, in die Rohmaterial, beispielsweise PLA oder PA oder PETG, eingebracht und wenigs tens teilweise aufgeschmolzen wird. In vielen Fällen, aber nicht zwingend, wird das Rohmaterial als Filament einge bracht. Mittels einer Düse kann der Druckkopf Materialbahnen aus dem geschmolzenen Rohmaterial auf das Substrat 11 oder vorhandene Teile des Werkstücks aufdrucken. In known methods for additive manufacturing of the workpiece, the workpiece is broken down into horizontal layers of equal thickness by a computer program, which is usually referred to as a "slicer" Direction for additive manufacturing, along which the print head is moved during production. These paths include those paths in which no raw material is applied and paths in which raw material is applied and the workpiece is thus built up. The determined paths and further control information is output in a control file that can be read by a 3D printer or transmitted directly to the 3D printer. Such a control file usually has a numerical control (NC, CNC) format such as gcode. The print head is a device into which raw material, for example PLA or PA or PETG, is introduced and at least partially melted. In many cases, but not necessarily, the raw material is brought in as filament. By means of a nozzle, the print head can print material webs from the molten raw material onto the substrate 11 or existing parts of the workpiece.
Das Substrat 11 ist eine Plattform, auf der das Werkstück er zeugt wird und die das Werkstück 10 bis zur Fertigstellung trägt. The substrate 11 is a platform on which the workpiece is generated and which carries the workpiece 10 until completion.
Während manche 3D-Drucker bei der Erstellung des Werkstücks ausschließlich den Druckkopf bewegen, wird bei anderen Typen von 3D-Druckern auch das Substrat 11 bewegt. Daher umfasst die Bezeichnung „Bahnen für den Druckkopf" hierin stets „Bah nen für den Druckkopf und/oder das Substrat 11". Es handelt sich also bei allen Pfaden stets um Bewegungen des Druckkopfs relativ zum Werkstück, die entweder durch Bewegungen und/oder Drehungen des Druckkopfs oder des Substrats 11 oder beider bewirkt werden. While some 3D printers only move the print head when creating the workpiece, the substrate 11 is also moved in other types of 3D printers. Therefore, the term "tracks for the printhead" herein always includes "tracks for the printhead and / or the substrate 11". All paths are therefore always movements of the print head relative to the workpiece, which are brought about either by movements and / or rotations of the print head or of the substrate 11 or both.
Beim Druck des Werkstücks 10 in einem herkömmlichen Verfahren werden für alle Bereiche des Werkstücks, die nicht nahezu senkrecht stehen, Stützstrukturen erzeugt. Diese sind umfang reich, benötigen Rohmaterial und liegen teilweise im Werk stück 10. Sie benötigen erheblich Zeit bei der Erzeugung und bei der Entfernung nach der Fertigstellung des Werkstücks 10. Eine Verbesserung stellt der fünfachsige Druck dar. Bei die sem kann das Werkstück und/oder der Druckkopf gedreht werden. When printing the workpiece 10 in a conventional method, support structures are generated for all areas of the workpiece that are not nearly perpendicular. These are extensive, require raw material and are partly in the workpiece 10. They require a considerable amount of time in the production and in the removal after the completion of the workpiece 10. An improvement is the five-axis pressure the printhead can be rotated.
Eine entsprechende Vorrichtung ist in Figur 2 schematisch und ausschnittsweise dargestellt. Eine erste Positioniereinrich tung 13 trägt den Druckkopf 12. Die erste Positioniereinrich tung 13 dient der Positionierung des Druckkopfs in allen Raumrichtungen X, Y und Z. Eine zweite Positioniereinrichtung 14 trägt das Substrat 11. Die zweite Positioniereinrichtung 14 dient der Drehung des Substrats 11. Das Substrat 11 trägt in Figur 2 das teilweise fertiggestellte Werkstück 10. A corresponding device is shown schematically and partially in FIG. A first positioning device 13 carries the print head 12. The first positioning device 13 is used to position the print head in all spatial directions X, Y and Z. A second positioning device 14 carries the substrate 11. The second positioning device 14 is used to rotate the substrate 11. In FIG. 2, the substrate 11 carries the partially completed workpiece 10.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der 3D-Drucker ausgestaltet zur Drehung des Substrats. Dabei wird das Substrat 11 bei der Fertigung des Werkstücks 10 stets so gedreht, dass die fol gende Schicht weitgehend horizontal vom Druckkopf aufgebracht wird. Das Werkstück 10 wird in diesem Beispiel azimutal ge fertigt, d.h. der Rohrachse folgend. Ein Teil der Material bahnen 20, die der Druckkopf in den Wänden des Werkstücks 10 erzeugen muss, ist in dem Fertigungsschema der Figur 3 abge bildet. In this exemplary embodiment, the 3D printer is designed to rotate the substrate. The substrate 11 is always rotated during the manufacture of the workpiece 10 so that the fol lowing layer is applied largely horizontally by the print head. The workpiece 10 is manufactured azimuthally in this example, i.e. following the pipe axis. A part of the material webs 20, which the print head has to generate in the walls of the workpiece 10, is shown in the production diagram of FIG.
Die in Figur 3 gezeigten Materialbahnen 20 lassen erkennen, dass die Schichtdicke des Rohmaterials, das entlang der Mate rialbahnen 20 abgelegt werden muss, nicht gleichbleibend ist. Das steht im Gegensatz zu den derzeit üblichen Verfahren im 3D-Druck, bei denen alle Werkstücke in gleichbleibend dicke Schichten zerlegt werden. Dabei kann sich die Dicke einer Schicht von der Dicke einer anderen Schicht unterscheiden. Aber innerhalb einer Schicht ist die benötigte Dicke an Roh material konstant. Hier jedoch ändert sich die benötigte Di cke des Rohmaterials innerhalb einer Schicht. Daher muss auch das Computerprogramm, das die Steuerungsinformationen für den Druck erzeugt, gegenüber üblichen Slicern verändert werden. The material webs 20 shown in FIG. 3 show that the layer thickness of the raw material that has to be deposited along the material webs 20 is not constant. This is in contrast to the currently common 3D printing processes, in which all workpieces are broken down into layers of constant thickness. The thickness of one layer can differ from the thickness of another layer. But within one shift, the required thickness of raw material is constant. Here, however, the required thickness of the raw material changes within one shift. Therefore, the computer program that generates the control information for printing must also be changed compared to conventional slicers.
Das Computerprogramm muss bei der Ermittlung der Materialbah nen 20 und der Erstellung der Steuerungsdatei die möglichen Drehungen eines fünfachsigen 3D-Druckers berücksichtigen. Für eine beispielhafte Materialbahn 21 wird ein Ausgangs- und ein Zielpunkt 22, 23 bestimmt, die Anfang und Ende der Material bahn 21 darstellen. Weiterhin ermittelt das Computerprogramm einen Anfangswert für den Volumenstrom für das Rohmaterial. Der Anfangswert für den Volumenstrom liegt am Ausgangspunkt 22 der Materialbahn 21 vor. Der Anfangswert kann dem Endwert für den Volumenstrom am Zielpunkt einer direkt vorausgegange nen Materialbahn 24 entsprechen. Weiterhin ermittelt das Com puterprogramm einen Endwert für den Volumenstrom für das Roh- material. Der Endwert für den Volumenstrom liegt am Zielpunkt 23 der Materialbahn 21 vor. When determining the material webs 20 and creating the control file, the computer program must take into account the possible rotations of a five-axis 3D printer. For an exemplary material web 21, a starting point and a target point 22, 23 are determined, which represent the beginning and end of the material web 21. The computer program also determines an initial value for the volume flow for the raw material. The initial value for the volume flow is present at the starting point 22 of the material web 21. The initial value can correspond to the final value for the volume flow at the target point of a material web 24 directly preceding it. The computer program also determines an end value for the volume flow for the raw material. The end value for the volume flow is present at the target point 23 of the material web 21.
Je nach Lage der Materialbahn 20 in Bezug auf darunter lie gende Materialbahnen 20 können der Anfangswert und der End wert für den Volumenstrom gleich oder unterschiedlich sein. Bei gleichem Anfangs- und Endwert können sich diese Werte von jenen von anderen Materialbahnen 20 unterscheiden. Der Volu menstrom wird dann vom Computerprogramm als fester Wert in den jeweiligen Satz der Steuerungsdatei übernommen. Der 3D- Drucker kann den Volumenstrom bei der Erzeugung der Material bahn 20 dann entsprechend dem geforderten Wert einstellen, indem die Zufuhr des Rohmaterials, beispielsweise der Vor schub des Filaments entsprechend eingestellt wird. Depending on the position of the material web 20 in relation to underlying material webs 20, the initial value and the end value for the volume flow can be the same or different. With the same initial and final value, these values can differ from those of other material webs 20. The volume flow is then taken over by the computer program as a fixed value in the respective record of the control file. The 3D printer can then adjust the volume flow when producing the web of material 20 according to the required value by adjusting the feed of the raw material, for example the advance of the filament, accordingly.
Sind Anfangswert und Endwert für den Volumenstrom unter schiedlich, dann ist der Volumenstrom über den Verlauf der Materialbahn 21 hinweg nicht konstant. Das ist beispielsweise bei der Materialbahn 21 der Figur 3 der Fall. Hier verläuft die Materialbahn 21 radial von der Innenseite der Krümmung des Werkstücks 10 auf die Außenseite. Ein konstanter Wert für den Volumenstrom des Rohmaterials führt hier zu einem Materi alüberschuss auf der Innenseite und/oder einem Materialmangel auf der Außenseite. Beides führt zu einer verminderten Werk stückqualität. Ein Materialmangel bewirkt dabei eine verrin gerte Festigkeit des Materials, während ein Materialüber schuss nachteilig zu geometrischen Abweichungen führt. If the initial value and the final value for the volume flow are different, then the volume flow is not constant over the course of the material web 21. This is the case, for example, with the material web 21 in FIG. Here the material web 21 runs radially from the inside of the curvature of the workpiece 10 to the outside. A constant value for the volume flow of the raw material leads to an excess of material on the inside and / or a lack of material on the outside. Both lead to a reduced workpiece quality. A lack of material causes a reduced strength of the material, while an excess of material disadvantageously leads to geometric deviations.
Bei einem 3D-Druck mit einem unverstärkten, thermoplastischen Material, wie zum Beispiel PLA, besteht prinzipiell auch die Möglichkeit, die Außenbereiche der Krümmung des Werkstücks in mehreren Lagen zu drucken. Dies kann aber aus Gründen der Ma terialqualität unerwünscht sein. Wird zusätzlich zum thermo plastischen Material mit einem nicht-schmelzbaren Inhalt ge druckt, beispielsweise einer Kevlar-Faser, dann ist ein Druck mit einer vermehrten Schichtenzahl noch nachteiliger, da der Kraftfluss in der Faser durch die Stückelung unterbrochen wird und die mechanische Beanspruchbarkeit des Bauteils dadurch herabgesetzt wird. Der Treppenstufeneffekt sorgt an solchen Stellen für zusätzliche Makroporen, die die mechani schen Eigenschaften weiter verschlechtern. In the case of 3D printing with an unreinforced, thermoplastic material such as PLA, there is in principle also the option of printing the outer areas of the curvature of the workpiece in several layers. However, this can be undesirable for reasons of material quality. If, in addition to the thermoplastic material, printing is carried out with a non-meltable content, for example a Kevlar fiber, printing with an increased number of layers is even more disadvantageous, since the flow of force in the fiber is interrupted by the division and the mechanical strength of the component is thereby reduced. The stair step effect creates additional macropores in such places, which further worsen the mechanical properties.
Vorteilhaft werden daher der passende ermittelte Anfangs- und Endwert für den Volumenstrom in die Steuerungsdatei einge fügt. Weiterhin wird der Steuerungsdatei ein Code zugefügt, der den Verlauf des Volumenstroms zwischen dem Anfangs- und dem Endwert symbolisiert. Der Code steht beispielsweise für einen Typ von polynomialem Verlauf, im einfachsten Fall also einem linearen Verlauf. It is therefore advantageous to insert the appropriately determined start and end values for the volume flow into the control file. A code is also added to the control file, which symbolizes the course of the volume flow between the start and end values. For example, the code stands for a type of polynomial curve, in the simplest case a linear curve.
Figur 4 zeigt einen beispielhaften linearen Verlauf 31 des Volumenstroms zwischen beispielhaften Anfangs- und Endwerten für die Materialbahn 21. Auf der X-Achse ist dabei der Anteil der bereits abgefahrenen Materialbahn 21 aufgetragen, Figur 3 zeigt also nicht die Lage der Bahn im Raum. Daher liegt der Anfang der Materialbahn 21 bei x = 0 % und das Ende bei x = 100 %. Ein weiterer Verlauf 32 ist der Volumenstrom für eine zweite Materialbahn 25, die an die Materialbahn 21 an schließt. Während sich der Volumenstrom für die Materialbahn 21 über die Wegstrecke hinweg erhöht, da diese Materialbahn 21 von der Innen- zur Außenseite der Krümmung des Werkstücks verläuft, ist die Lage für die Materialbahn 25 umgekehrt. FIG. 4 shows an exemplary linear course 31 of the volume flow between exemplary initial and final values for the material web 21. The portion of the material web 21 that has already been traveled is plotted on the X axis, so FIG. 3 does not show the position of the web in space. The start of the material web 21 is therefore at x = 0% and the end at x = 100%. Another course 32 is the volume flow for a second material web 25, which connects to the material web 21. While the volume flow for the material web 21 increases over the distance, since this material web 21 runs from the inside to the outside of the curvature of the workpiece, the position for the material web 25 is reversed.
Ein weiterer in dem Werkstück 10 nicht verwendeter, aber mög licher Verlauf 33 zeigt, dass der Verlauf des Volumenstroms nicht linear sein muss, sondern auch beispielsweise quadra tisch sein kann. Dabei kann auch der Wertebereich zwischen dem Anfangs- und dem Endwert zwischendurch verlassen werden. Another profile 33 that is not used in the workpiece 10 but is possible shows that the profile of the volume flow does not have to be linear, but can also be square, for example. The value range between the start and end value can also be left in between.
Die Steuerungsinformationen in Form einer gcode-Datei können beispielsweise so aussehen, wenn gemäß dem Stand der Technik eine feste Materialmenge pro aufgebrachter Materialstrecke verwendet wird: The control information in the form of a gcode file can look like this if, according to the state of the art, a fixed amount of material is used per applied material path:
Gl X202.845 Y204.297 E32.94445 Gl X210.381 Y204.297 E33.06977 Gl X210.381 Y205.961 E33.09744 Gl XI89.619 Y205.961 E33.44272 Eq X202.845 Y204.297 E32.94445 Eq X210.381 Y204.297 E33.06977 Eq X210.381 Y205.961 E33.09744 Eq XI89.619 Y205.961 E33.44272
Der E-Wert gibt hierbei die zu verwendende Materialmenge als kumulativen Wert an. Wird jedoch eine über die Bahn hinweg linear veränderliche Materialmenge angefordert, könnte eine entsprechende Steuerungsinformation erzeugt werden und an den 3D-Drucker gegeben werden. Dabei wird folgender lineare Ver lauf verwendet
Figure imgf000017_0001
The E-value indicates the amount of material to be used as a cumulative value. However, if an amount of material that is linearly variable across the web is requested, corresponding control information could be generated and sent to the 3D printer. The following linear course is used
Figure imgf000017_0001
Dabei bezeichnet p den Anteil an der Bahn, es gilt also 0 <= p <= 1. V(p = 0) ist der Volumenstrom bei p = 0, also am Startpunkt der Bahn, m ist die Steigung des linearen Ver laufs, hat also die Einheit eines Volumenstroms und muss ent sprechend berechnet werden. Here, p denotes the part of the path, so 0 <= p <= 1. V (p = 0) is the volume flow at p = 0, i.e. at the starting point of the path, m is the gradient of the linear course i.e. the unit of a volume flow and must be calculated accordingly.
Dem entsprechende Steuercodes könnten beispielsweise so aus- sehen: The corresponding control code could look like this, for example:
NO POLY Gl X202.845 Y204.297 PO[E(p)] = [[EEnde, Polynomkoef fizient] NO POLY Gl X202.845 Y204.297 PO [E (p)] = [[E end , polynomial coefficient]
NI0 POLY Gl X210.381 Y204.297 PO[E(p)] = [[EEnde, Polynomkoef fizient] NI0 POLY Gl X210.381 Y204.297 PO [E (p)] = [[E end , polynomial coefficient]
N20 POLY Gl X210.381 Y205.961 PO[E(p)] = [[EEnde, Polynomkoef fizient] N20 POLY Gl X210.381 Y205.961 PO [E (p)] = [[E end , polynomial coefficient]
N30 POLY Gl XI89.619 Y205.961 PO[E(p)] = [[EEnde, Polynomkoef fizient] N30 POLY Gl XI89.619 Y205.961 PO [E (p)] = [[E end , polynomial coefficient]
Die lineare Funktion wird durch ein Polynom 1. Grades defi niert, dessen Syntax oben beschrieben ist. Die Steigung der Funktion, die in der Steuercodes als Polynomkoeffizient be zeichnet ist, wird aus dem Anfangsvolumenstrom (p = 0%) und dem Endvolumenstrom EEnde (p = 100%) berechnet. Zwischen diesen beiden Volumenströmen interpoliert die Steuerung über die Bahnlänge hinweg linear alle Zwischen-Extrusions- Volumenströme . Bei aneinander anschließenden Bahnen ent- spricht der Anfangsvolumenstrom dabei dem Endvolumenstrom der vorherigen Bahn, wodurch letztlich nur der Endvolumenstrom und der Grad des Polynoms vorgegeben werden muss. Der wird analog zu den bisher bekannten Mechanismen berechnet. eine Angabe eines höheren polynomialen Verlaufs sind weitere Parameter notwendig, die in analoger Weise von dem Computer programm der Steuerungsinformation hinzugefügt werden. Bei spielsweise kann eine Polynominterpolation 3. Grades wie folgt definiert werden: The linear function is defined by a 1st degree polynomial, the syntax of which is described above. The slope of the function, which is designated as a polynomial coefficient in the control code, is calculated from the initial volume flow (p = 0%) and the final volume flow E end (p = 100%). Between these two volume flows, the control linearly interpolates all intermediate extrusion volume flows over the length of the path. In the case of adjoining webs, the initial volume flow corresponds to the final volume flow of the previous lane, whereby ultimately only the final volume flow and the degree of the polynomial have to be specified. This is calculated analogously to the previously known mechanisms. a specification of a higher polynomial course, further parameters are necessary, which are added to the control information in an analogous manner by the computer program. For example, a 3rd degree polynomial interpolation can be defined as follows:
Für eine Angabe eines höheren polynomialen Verlaufs sind wei tere Parameter notwendig, die in analoger Weise von dem Com puterprogramm der Steuerungsinformation hinzugefügt werden. For a specification of a higher polynomial curve further parameters are necessary, which are added in an analogous manner by the computer program of the control information.
PO[E(x)] = [[EEnde/ Polynomkoeffizientl, Polynomkoeffizient2] PO [E (x)] = [[E end / polynomial coefficient, polynomial coefficient2]
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Spindeldreh zahl, also das Maß für die Vorschubgeschwindigkeit des zu verarbeitenden Filaments, also des Rohmaterials, die in Ver bindung mit der Verfahrgeschwindigkeit maßgeblich für den Vo lumenstrom des Rohmaterials ist, anhand einer Funktion be stimmt wird, die sich teilweise anhand einer Formel berechnet und zusätzlich von der Vorrichtung berechnet wird. Die Formel bezieht dabei materialabhängige und vor allem geometrische sowie zeitabhängige Faktoren in die Berechnung der Spindel drehzahl ein. A further embodiment provides that the spindle speed, i.e. the measure of the feed speed of the filament to be processed, i.e. the raw material, which in connection with the travel speed is decisive for the volume flow of the raw material, is determined using a function that is partially calculated using a formula and is additionally calculated by the device. The formula includes material-dependent and, above all, geometric and time-dependent factors in the calculation of the spindle speed.
Die Lösung des Problems besteht darin, dass zuerst ein kon stanter, materialabhängiger Faktor experimentell bestimmt wird. Dieser ist vor allem vom rheologischen Verhalten, also der Temperatur- und der Viskosität des Polymermaterials ab hängig. Außerdem bezieht er die Düsenweite und - beschaffenheit mit ein. Dann wird ein konstanter, maschinen abhängiger Faktor bestimmt, der die verbaute Mechanik bzw. Übersetzung und Getriebeseite der Maschine berücksichtigt.The solution to the problem is that first a constant, material-dependent factor is determined experimentally. This is primarily dependent on the rheological behavior, i.e. the temperature and viscosity of the polymer material. It also includes the nozzle size and composition. Then a constant, machine-dependent factor is determined, which takes into account the built-in mechanics or transmission and transmission side of the machine.
Vor allem aber wird ein Faktor aus dem Quotienten des benö- tigten (zeit- und/oder wegabhängigen) Bahnquerschnitts und dem Filamentquerschnitt gebildet.
Figure imgf000019_0001
Above all, however, a factor from the quotient of the required formed (time and / or path-dependent) web cross-section and the filament cross-section.
Figure imgf000019_0001
Dabei sind: There are:
VExtrusion der Volumenstrom des Rohmaterials VExtrusion is the volume flow rate of the raw material
Vist die aktuelle Bahngeschwindigkeit, d.h. die momentane Ge schwindigkeit des Druckkopfs relativ zum Werkstück oder Sub strat Vi st the current web speed, ie the current speed of the print head relative to the workpiece or substrate
Aßahn der Querschnitt der Materialbahn, also die Breite mal die Höhe A ßahn is the cross-section of the material web, i.e. the width times the height
AFiiament der Querschnitt des Filaments des Rohmaterials, also für den Druck eine Konstante A filament is the cross-section of the filament of the raw material, i.e. a constant for printing
MPA6,CF2O ein materialabhängiger, aber für den Druck konstanter Wert M PA 6, CF 2 O a material-dependent, but constant value for the pressure
SSkalierung eine maschinenabhängige Konstante S scaling a machine-dependent constant
Kkorr eine Konstante für weitere relevante Prozessgrößen K korr is a constant for other relevant process variables
Ein entsprechender Ausschnitt aus den Steuerdaten kann dann wie folgt aussehen: A corresponding excerpt from the tax data can then look like this:
NI0 X-23.13 Z4.81 S=Vist * 0.325 M3 HO.0 N20 Y23.13 Z4.86 S=Vist * 0.322 M3 HO.0 NI0 X-23.13 Z4.81 S = Vist * 0.325 M3 HO.0 N20 Y23.13 Z4.86 S = Vist * 0.322 M3 HO.0
N30 X23.13 Z4.91 S=Vist * 0.319 M3 HO.0 N30 X23.13 Z4.91 S = Vist * 0.319 M3 HO.0
N40 Y-23.12 Z4.97 S=Vist * 0.3305 M3 HO.0 N50 Y23.13 Z5.05 S=Vist * 0.344 M3 HO.0 N40 Y-23.12 Z4.97 S = Vist * 0.3305 M3 HO.0 N50 Y23.13 Z5.05 S = Vist * 0.344 M3 HO.0
N60 X23.13 Z5.08 S=Vist * 0.325 M3 HO.0 N60 X23.13 Z5.08 S = Vist * 0.325 M3 HO.0
Eine analoge Darstellung in Polynomschreibweise ist: PO[S(x)] = [[0.325, l]*Vist M3 HO.0 An analogous representation in polynomial notation is: PO [S (x)] = [[0.325, l] * V is M3 HO.0
Diese Angaben bedeuten, dass eine Polynomfunktion 1. Grades, also lineare Interpolation des Materialvolumenstromes bis zum Endwert 0.325 unter Beachtung der tatsächlichen Ist- Geschwindigkeit verwendet werden soll. Dabei ändert sich die Ist-Geschwindigkeit wie beschrieben aufgrund von Beschleuni gungsvorgängen und wird nicht als konstant angenommen. This information means that a polynomial function of the first degree, i.e. linear interpolation of the material volume flow up to the final value 0.325, should be used, taking into account the actual actual speed. This changes Actual speed as described due to acceleration processes and is not assumed to be constant.
Eine Kette von mehreren Sätzen der Steuercodes könnte also beispielsweise so aussehen: A chain of several sets of the control codes could look like this, for example:
NI0 X-23.13 Z4.81 PO[S(x)] = [[0, 0]*Vist M3 HO.0 #Startposi- tion NI0 X-23.13 Z4.81 PO [S (x)] = [[0, 0] * Vist M3 HO.0 # Start position
NI0 X-23.13 Z4.81 PO[S(x)] = [[0.325, 0]* Vist M3 HO.0 N20 Y23.13 Z4.86 PO[S(x)] = [[0.322, 0.23]* Vist M3 HO.0NI0 X-23.13 Z4.81 PO [S (x)] = [[0.325, 0] * Vist M3 HO.0 N20 Y23.13 Z4.86 PO [S (x)] = [[0.322, 0.23] * Vist M3 HO.0
N30 X23.13 Z4.91 PO[S(x)] = [[0.319, 0]* Vist M3 HO.0 N30 X23.13 Z4.91 PO [S (x)] = [[0.319, 0] * Vist M3 HO.0
N40 Y-23.12 Z4.97 PO[S(x)] = [[0.3305, -0.23]* Vist M3 HO.0 N50 Y23.13 Z5.05 PO[S(x)] = [[0.344, 0]* Vist M3 HO.0 N40 Y-23.12 Z4.97 PO [S (x)] = [[0.3305, -0.23] * Vist M3 HO.0 N50 Y23.13 Z5.05 PO [S (x)] = [[0.344, 0] * Vist M3 HO.0
N60 X23.13 Z5.08 PO[S(x)] = [[0.325, 0]* Vist M3 HO.0 N60 X23.13 Z5.08 PO [S (x)] = [[0.325, 0] * Vist M3 HO.0
Hierbei werden lineare Verläufe für den Volumenstrom der Extrusion verwendet. Die linearen Verläufe, bei denen die Steigung m, also der zweite Parameter, m = 0 ist, entsprechen herkömmlichen Verläufen mit einem im Prinzip konstanten Volu menstrom. Allerdings sorgt die Angabe *Vist dafür, dass auch bei diesen Steuercodes kein völlig konstanter Volumenstrom verwendet wird, sondern ein von der momentanen, gemessenen Geschwindigkeit des Druckkopfs abhängiger Volumenstrom. Here, linear curves are used for the volume flow of the extrusion. The linear courses, in which the slope m, i.e. the second parameter, m = 0, correspond to conventional courses with an in principle constant volume flow. However, the specification * Vi st ensures that no completely constant volume flow is used with these control codes, but a volume flow that is dependent on the current measured speed of the print head.
Bei solchen Steuersätzen, bei denen m von Null verschieden ist (m <> 0), wird die gemessene Geschwindigkeit zusätzlich zum polynomialen (hier linearen) Verlauf des Volumenstroms verwendet. Es wird also der Volumenstrom über den Bahnverlauf hinweg linear verändert und zusätzlich an die aktuelle, ge messene Geschwindigkeit angepasst. Bezugszeichenliste With such tax rates, where m is different from zero (m <> 0), the measured speed is used in addition to the polynomial (here linear) course of the volume flow. The volume flow is changed linearly over the course of the path and also adapted to the current, measured speed. List of reference symbols
10 Werkstück 10 workpiece
11 Substrat 11 substrate
12 Druckkopf 12 printhead
13, 14 Positioniereinrichtung 20, 21 Materialbahn 22 Ausgangspunkt 13, 14 positioning device 20, 21 material web 22 starting point
23 Zielpunkt 23 target point
31, 32, 33 Verlauf des Volumenstroms31, 32, 33 Course of the volume flow
24 vorausgegangene Materialbahn24 previous web of material
25 zweite Materialbahn 25 second web of material

Claims

Patentansprüche Claims
1. Vorrichtung für die fünfachsige additive Herstellung eines Werkstücks (10) mittels Materialextrusion mit 1. Device for the five-axis additive production of a workpiece (10) by means of material extrusion
- einer Fördervorrichtung zur Bereitstellung eines Volumen stroms (31, 32, 33) eines Rohmaterials, - A conveying device for providing a volume flow (31, 32, 33) of a raw material,
- einem Druckkopf (12) zur Aufbringung des Rohmaterials auf ein Substrat (11) oder bereits bestehende Teile des Werk stücks (10), - A print head (12) for applying the raw material to a substrate (11) or already existing parts of the workpiece (10),
- einer ersten Positionier-Einrichtung (13) zur dreidimensio nalen Positionierung des Druckkopfs (12), - A first positioning device (13) for three-dimensional positioning of the print head (12),
- einer zweiten Positionier-Einrichtung (14) zur dreidimensi onalen Positionierung des Substrats (11), wobei die zweite Positionier-Einrichtung (14) Mittel zur Drehung und/oder Schwenkung/Verkippung des Substrats (11) umfasst, - A second positioning device (14) for three-dimensional positioning of the substrate (11), the second positioning device (14) comprising means for rotating and / or pivoting / tilting the substrate (11),
- einer Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Fördervorrich tung und der Positioniereinrichtungen (13, 14), wobei die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, - A control device for controlling the conveyor device and the positioning devices (13, 14), wherein the control device is designed,
- für einen vorgebbaren Ausgangspunkt (22) und einen vorgeb- baren Zielpunkt (23) für eine Bewegung des Druckkopfs (12) eine Bahn zu ermitteln und den Druckkopf (12) auf der Bahn vom Ausgangspunkt (22) zum Zielpunkt (23) zu steuern, - to determine a path for a prescribable starting point (22) and a prescribable target point (23) for a movement of the print head (12) and to control the print head (12) on the path from the starting point (22) to the target point (23) ,
- den durch die Fördervorrichtung bereitgestellten Volumen strom des Rohmaterials bei Durchfahren der Bahn anhand von einem Wert für das Material-Gesamtvolumen und einem vorgebba ren Verlauf (31, 32, 33) für den Volumenstrom über die Bahn hinweg zu ermitteln und einzustellen. - To determine and set the volume flow of the raw material provided by the conveying device when traveling through the path on the basis of a value for the total material volume and a predeterminable course (31, 32, 33) for the volume flow across the path.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, das Material-Gesamtvolumen aus einem An fangswert für den Ausgangspunkt (32) und einem vom Anfangs wert verschiedenen Endwert für den Zielpunkt (33) zu ermit teln. 2. Apparatus according to claim 1, wherein the control device is designed to determine the total volume of material from an initial value for the starting point (32) and an end value different from the starting value for the target point (33).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Steuerein richtung ausgestaltet ist, als Verlauf (31, 32, 33) einen nach einer Funktion definierten Verlauf (31, 32, 33) zu ver- wenden und den Volumenstrom gemäß der Funktion zu interpolie ren. 3. Device according to claim 1 or 2, in which the control device is designed to provide a course (31, 32, 33) defined according to a function as course (31, 32, 33) and interpolate the volume flow according to the function.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, bei der Ermitt lung eines momentanen Volumenstroms die momentane Geschwin digkeit des Druckkopfs (12) relativ zum Werkstück (10) einzu beziehen. 4. Device according to one of the preceding claims, in which the control device is designed to include the current Geschwin speed of the print head (12) relative to the workpiece (10) when determining a current volume flow.
5. Verfahren für die fünfachsige additive Herstellung eines Werkstücks (10) mittels Materialextrusion, bei dem 5. A method for the five-axis additive production of a workpiece (10) by means of material extrusion, in which
- Rohmaterial zu einem Druckkopf (12) gefördert wird, - Raw material is conveyed to a print head (12),
- der Druckkopf (12) das Rohmaterial auf ein Substrat (11) oder bereits bestehende Teile des Werkstücks (10) aufbringt,- The print head (12) applies the raw material to a substrate (11) or already existing parts of the workpiece (10),
- der Druckkopf (12) und/oder das Substrat (11) dabei dreidi mensional positioniert werden, - The print head (12) and / or the substrate (11) are positioned three-dimensionally,
- für einen vorgebbaren Ausgangspunkt (22) und einen vorgeb- baren Zielpunkt (23) für eine Bewegung des Druckkopfs (12) eine Bahn ermittelt wird und der Druckkopf (12) auf der Bahn vom Ausgangspunkt (22) zum Zielpunkt (23) bewegt wird, - A path is determined for a predeterminable starting point (22) and a predeterminable target point (23) for a movement of the print head (12) and the print head (12) is moved on the path from the starting point (22) to the target point (23) ,
- bei Durchfahren der Bahn der bereitgestellte Volumenstrom des Rohmaterials anhand von einem Wert für das Material- Gesamtvolumen und einem vorgebbaren Verlauf (31, 32, 33) über die Bahn hinweg eingestellt wird. - When traveling through the path, the provided volume flow of the raw material is set on the basis of a value for the total material volume and a predeterminable course (31, 32, 33) across the path.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem als vorgebbarer Verlauf (31, 32, 33) ein linearer Verlauf verwendet wird. 6. The method according to claim 5, in which a linear course is used as the predeterminable course (31, 32, 33).
7. Verfahren zur Planung einer Bahn für ein fünfachsiges ad ditives Fertigungsverfahren, bei dem mittels Materialextrusi on Rohmaterial auf einem Substrat (11) oder bereits bestehen de Teile eines herzustellenden Werkstücks (10) aufgebracht wird und bei dem das Substrat (11) gedreht wird, wobei ein Druckkopf (12) entlang der Bahn zu bewegen ist, mit den Schritten: 7. A method for planning a path for a five-axis additive manufacturing process in which raw material is applied to a substrate (11) or already existing parts of a workpiece (10) to be manufactured by means of material extrusion and in which the substrate (11) is rotated, wherein a print head (12) is to be moved along the path, with the steps of:
- Ermittlung eines Ausgangspunkts (22) und eines Zielpunkts (23) für die Bahn aus geometrischen Daten des herzustellenden Werkstücks (10), - Ermittlung eines Verlaufs (31, 32, 33) für den Volumenstrom des Rohmaterials für die Bahn aus den geometrischen Daten,- Determination of a starting point (22) and a target point (23) for the path from geometric data of the workpiece (10) to be produced, - Determination of a course (31, 32, 33) for the volume flow of the raw material for the web from the geometric data,
- Ermittlung eines Material-Gesamtvolumens für die Bahn,- Determination of a total material volume for the web,
- Ausgabe von Ausgangspunkt (22) und Zielpunkt (23) oder ei ner Angabe für die relative Bewegung vom Ausgangspunkt (22) zum Zielpunkt (23) in eine Steuerungsdatei für eine Vorrich tung für die additive Herstellung eines Werkstücks (10), oder direkt an die Vorrichtung, - Output of the starting point (22) and target point (23) or an indication of the relative movement from the starting point (22) to the target point (23) in a control file for a device for the additive manufacturing of a workpiece (10), or directly the device,
- Ausgabe des Material-Gesamtvolumens und des Verlaufs (31,- Output of the total material volume and the course (31,
32, 33) in die Steuerungsdatei oder an die Vorrichtung. 32, 33) to the control file or to the device.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ein linearer Verlauf (31, 32) für den Volumenstrom des Rohmaterials verwendet wird. 8. The method according to claim 7, wherein a linear course (31, 32) is used for the volume flow of the raw material.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 mit den Schritten: 9. The method according to claim 7 or 8 with the steps:
- Ermittlung eines Anfangswerts für den Volumenstrom des Roh materials für den Ausgangspunkt (22) aus den geometrischen Daten, - Determination of an initial value for the volume flow of the raw material for the starting point (22) from the geometric data,
- Ermittlung eines Endwerts für den Volumenstrom des Rohmate rials für den Zielpunkt (23) aus den geometrischen Daten. - Determination of an end value for the volume flow of the raw material for the target point (23) from the geometric data.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem ba sierend auf der Steuerungsdatei oder den direkt ausgegebenen Daten ein Verfahren für die fünfachsige additive Herstellung eines Werkstücks (10) nach Anspruch 5 oder 6 durchgeführt wird, um das herzustellende Werkstück (10) basierend auf der Planung einer Bahn zu erzeugen. 10. The method according to any one of claims 7 to 9, in which, based on the control file or the directly output data, a method for the five-axis additive production of a workpiece (10) according to claim 5 or 6 is carried out in order to produce the workpiece (10) based on the planning of a path.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die additive Herstel lung mit einer Mehrzahl von so ermittelten Bahnen durchge führt wird, derart, dass der Druckkopf (12) entlang der er mittelten Bahnen bewegt wird, insbesondere während der Druck kopf (12) das Rohmaterial abgibt und dadurch entlang der Bah nen ablegt. 11. The method according to claim 10, in which the additive manufac- ture is carried out with a plurality of paths determined in this way, in such a way that the print head (12) is moved along the paths it averaged, in particular while the print head (12) carries the raw material releases and thereby deposits along the tracks.
12. Computerprogramm, das direkt in einen Speicher einer elektronischen Recheneinrichtung ladbar ist, mit Programm- Mitteln, um die Schritte des Verfahrens nach einem der An sprüche 7 bis 9 auszuführen, wenn das Computerprogramm in ei ner elektronischen Recheneinrichtung ausgeführt wird. 12. Computer program that can be loaded directly into a memory of an electronic computing device, with program Means for carrying out the steps of the method according to one of claims 7 to 9 when the computer program is executed in an electronic computing device.
13. Elektronisch lesbarer Datenträger mit darauf gespeicher ten elektronisch lesbaren Steuerinformationen, welche zumin dest ein Computerprogramm nach Anspruch 12 umfassen und der art ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträ gers in einer elektronischen Recheneinrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 durchführen. 13. Electronically readable data carrier with electronically readable control information stored thereon, which at least comprise a computer program according to claim 12 and are designed so that they carry out a method according to one of claims 7 to 9 when using the data carrier in an electronic computing device.
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