WO2021249588A1 - Verfahren zum erzeugen einer 3d-struktur, wobei die bewegungsgeschwindigkeit von arbeitsmitteln, insbes. eines rakels, bei kritischen bereichen verringert wird - Google Patents

Verfahren zum erzeugen einer 3d-struktur, wobei die bewegungsgeschwindigkeit von arbeitsmitteln, insbes. eines rakels, bei kritischen bereichen verringert wird Download PDF

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Frank Wedemeyer
Rudolf Wintgens
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Laempe Mössner Sinto Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for generating a 3D structure, in which a 3D structure is built up in layers in a 3D printer.
  • the construction is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes.
  • Specifications for the components or workpieces to be printed can be provided, for example, by so-called computer-aided design systems (CAD).
  • CAD computer-aided design systems
  • particulate building material also referred to as particulate material or powdery building material
  • particulate material or powdery building material on a so-called building field in order to form a layer of non-solidified particulate material
  • DE 102005022 308 A1 discloses a coater and a method for applying powdery layers in a device for producing a three-dimensional object by solidifying layers of a powdery material at the points corresponding to the respective cross-section of the object.
  • the object to be achieved is to provide a device and a method for producing a three-dimensional object by solidifying layers of a powdery building material, with which the building time for the three-dimensional object can be shortened.
  • the device has a coater, which can be moved over a construction field, for applying the layers of the powdery construction material in the construction field.
  • the coater is designed with a stiff blade that is rigidly connected to the coater.
  • the coater is provided with a heating device which is at least partially integrated into the coater. This makes it possible to have the powder already preheat as a layer during or before the application and thus shorten the overall construction time for the three-dimensional object.
  • the aim is to provide a method and a material system with which constant material properties, in particular the flow properties of the building material, can be ensured during the construction process.
  • the particulate construction material is applied to a construction field in a defined layer thickness by means of a coater.
  • binder liquid is selectively applied to the building material via a print head, the binder liquid being polymerized by means of at least one activator introduced into the sand.
  • the construction field is lowered by the layer thickness or the coater is raised by one layer thickness and these steps are repeated until the desired molded part is produced, with agents being introduced into the building material, the binder liquid and / or the activator or, with which the moisture content of the building material mixture can be regulated.
  • the moisture in the sand is regulated.
  • the water content and the liquid content are regulated or at least stabilized. In this way, essentially the same chemical and physical properties should always be achieved in the manufacture of the three-dimensional molded parts.
  • this speed is also increased in order to carry out 3D printing in a smaller unit of time to be able to. In doing so, speeds or travel speeds of the work equipment over the construction field of 500 mm / s and more are achieved.
  • a disadvantage of this known state of the art is that, for example, as a result of ever higher speeds when printing a layer in a 3D printer in areas susceptible to this or mechanically susceptible areas, partial areas in a layer that is currently to be built up or one below it are torn open or shifted Layer lying layer can be done. This results in defects in the three-dimensional end product, which reduce the quality and, in the worst case, lead to a reject product.
  • the object of the invention is to provide a method for generating a 3D structure or layers of a 3D structure in a 3D printer, with which the layers are built up more reliably and precisely in a 3D printing process.
  • the quality of the 3-D printing is to be ensured in critical areas in which partial structures of the 3-D structure can be torn open or shifted in a layer currently to be built up or in a layer below this layer.
  • the method for generating a 3D structure in a 3D printer is used in all 3D printers or 3D printing machines in which a substrate application and / or a fluid application takes place, especially in 3D printers or 3D printing machines, in which the construction of the 3D structure is computer-controlled.
  • Such 3D printers have a control unit which controls the structure of the layers during 3D printing and which control commands are transmitted in a machine-readable form or a machine-readable code.
  • Such a machine-readable code with control commands that controls the generation of the layers during 3D printing can be generated from specifications for the components or workpieces to be printed by a computer-aided design system (CAD) and transmitted to the control unit of the 3D printer.
  • CAD computer-aided design system
  • This machine-readable code is usually a digital code, which usual standards or norms, such as the international standard ICE 61131 or the international standard ICE 61499, corresponds.
  • errors in the 3D structure to be generated are understood to mean, in particular, tearing open and / or shifting areas or partial areas of the 3D structure to be generated in one or more layers.
  • Areas in which a partial structure of the 3D structure to be generated is applied directly to the surface of a substrate are classified as critical areas, since in this case insufficient adhesion can occur between the partial structure to be applied and the substrate.
  • the substrate is a surface on which the 3D structure to be generated is built up in layers and which is also referred to as the construction field or construction bed of a 3D printer.
  • Such critical areas are also areas in which a partial structure of the 3D structure to be generated is to be applied to small partial structures of an underlying layer.
  • small substructures arise, for example, when the dimensions of the substructures arranged in layers one above the other are so small that only low mechanical strengths are to be expected in the case of a stack-like construction of these substructures, for example.
  • Such low strengths have substructures with the smallest possible dimensions, for example in the range of a length of 0.1 mm and a width of 0.1 mm up to dimensions in the range of a length of 5 mm or more and a width of 5 mm or more . These dimensions depend on the molding material, the processing speed of the molding material and the fluid properties. In addition, such critical areas can also comprise part of a current layer or be a complete layer, for example due to the expensive or complicated 3D structure to be produced.
  • the length does not have to be the same as the width of the substructure.
  • long but very narrow substructures in the range of the specified dimensions also have a low mechanical strength during construction.
  • the alignment of such narrow and long structures is also important here. If a long and narrow partial structure, for example with the dimensions of a length of 20 mm and a width of 0.3 mm, has a longitudinal extension in the direction in which the working equipment of the 3D printer is moved over the construction field, then problems arise in the layer structure For example, only at the beginning and at the end of this partial structure if the speed of movement of the work equipment of the 3D printer over the construction field is too great.
  • Such working means of the 3D printer are, for example, a stripping element such as a squeegee, a blade or a swing blade.
  • this elongated partial structure is to be built up layer by layer with its longitudinal extension at an angle of 90 degrees to the direction in which the working equipment of the 3D printer is moved over the construction field, problems arise in the layer structure along the entire area this elongated partial structure if the speed of movement of the work equipment of the 3D printer over the construction field is too great.
  • Another critical area is an area in which a partial structure of the 3D structure to be generated is applied to a substrate that does not offer sufficient support in the event that the speed of movement of the working equipment of the 3D printer over the construction field is too great.
  • One such subsoil is particulate building material. This case occurs if, after the construction of one of the multiple layers of the 3D structure to be generated, a partial structure takes place at a point above the particulate building material by means of selective solidification or gluing of the particulate building material at the point of this partial structure, since this partial structure is not yet connected or Has connection point to the 3D structure to be generated. In this case, such a connection to the 3D structure is only established in the course of the 3D printing process in a layer to be generated later, which is at a greater distance from the construction bed.
  • a critical area is recognized in the structure, data or driving data for this recognized critical area are generated and saved or documented.
  • These data include at least one piece of information on the location or on a position of the identified critical area. Its position on or above the construction bed is thus known with corresponding coordinates, for example in an X, a Y and a Z direction of a coordinate system on the construction site.
  • this data can also contain information on an outer contour or track curve of the substructure and / or its dimensions or extent, for example with a length and a width, also as Called bounding box. It is intended to transmit the data or driving data from the analysis, i.e. the identified critical areas, to the control unit. Such a transmission of the data to the identified critical areas can take place to the control unit independently or with the data which control the layer-by-layer construction of the 3D structure by the control unit.
  • control unit compares the current position of the construction of the 3D structure with the position data of the critical areas and, in the event that a match is detected, changes the speed of movement of the working equipment of the 3D printer over the construction field.
  • This change can be a strong reduction in the speed of movement in critical areas or particularly critical areas. Alternatively, this change can be a less severe reduction in the speed of movement in less critical areas.
  • the substrate discharge i.e. the amount of substrate of the particulate substrate that is applied over the construction field per meter, or to adapt it to the changing speed of movement.
  • the height of the applied particulate substrate is regulated or kept constant.
  • a time for this advance can be determined.
  • a distance can be determined in which the speed of movement is reduced before a critical area is reached.
  • the control unit by comparing the current position of the construction of the 3D structure with the position data of the critical areas, recognizes when such a critical area is left. In this case, the speed of movement of the working equipment of the 3D printer over the construction field can be changed again, for example increased. Such an increase in the speed of movement can be continued until the speed of movement at which the working equipment of the 3D printer moved before reaching the critical area has been reached again. Alternatively, the increase in the speed of movement can be continued until a maximum possible speed of movement of the work equipment has been reached.
  • a measure of the probability of defects occurring in the three-dimensional end product is determined by this critical area.
  • this probability is high, provision is made to reduce the speed of movement of the working equipment of the 3D printer over the construction field more than in the case of a lower probability. In this way, particularly sensitive sub-areas of the 3D structure can be reliably generated, with a smaller reduction in the speed of movement of the work equipment in less sensitive sub-areas allowing a time advantage when generating the 3D structure.
  • an amount of a particulate substrate to be applied to a layer is influenced as a function of the speed.
  • the amount of the particulate substrate to be applied per unit of time is increased in order to achieve a constant layer thickness of the particulate substrate and vice versa.
  • Fig. 1 an exemplary process sequence of the method according to the invention for generating a 3D structure in a 3D printer.
  • FIG. 1 shows an exemplary process sequence of the method according to the invention for generating a 3D structure in a 3D printer.
  • a step 1 the method for generating a 3D structure or layers of a 3D structure in a 3D printer starts.
  • a second step 2 the analysis of the 3D structure to be generated is carried out in such a way that so-called critical areas are found within the 3D structure to be generated or within the layers of the 3D structure to be generated.
  • the data on which the analysis is based for generating the 3D structure can be generated, for example, by means of a computer-aided design system and are available in a machine-readable form such as a digital code.
  • critical areas i.e. mechanically susceptible areas in which partial structures can be torn open or shifted according to the examples given above.
  • Position data for these areas are determined and saved in step 3. These position data can correspond, for example, to an X, a Y and a Z direction of a coordinate system on the construction field. Alternatively, only one X and one Y coordinate above the construction field and a number for the corresponding layer in which the critical area is located can be determined.
  • step 6 If no critical areas are determined in step 2 in the analysis of the 3D structure to be generated, the method for generating a 3D structure is ended in step 6.
  • the 3D printing takes place, controlled by a control unit, which converts the machine-readable data generated by the computer-aided design system and controls the 3D printing.
  • the position data determined in step 3 are sent to the control unit controlling the 3D printing, such as a programmable logic controller (PLC), are transferred and flow into the control process of 3D printing accordingly.
  • PLC programmable logic controller
  • control unit changes or reduces the speed of movement of the work equipment of the 3D printer over the construction field in step 5.
  • step 5 This reduction in the speed of movement of the work equipment can take place shortly before a critical area is reached in step 5. After leaving a critical area, the speed of movement of the work equipment is increased again in step 5, this increase in speed also being able to take place with a time delay.
  • the speed of movement of the work equipment is increased, for example, until the speed driven before reaching the critical area or a maximum possible speed has been reached.
  • parameters that are related to a change in the speed of movement such as the amount of particulate material to be applied to a layer per unit of time or the pressure of a blade with which the particulate material can be attracted and / or solidified, adapted speed-dependent by the control unit.
  • the speed of movement of the work equipment is reduced by the control unit for an area which spatially extends far beyond a critical area.
  • step 6 With the completion of the 3D print, the process for generating a 3D structure in step 6 is ended.
  • such a movement speed of the work equipment of the 3D printer over the construction field can be 1000mm / s, while the movement speed of the work equipment in or in front of critical areas is reduced to 300mm / s.

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Abstract

Der Erfindung, welche ein Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, womit ein sicherer und exakter Aufbau der Schichten bei einem 3D-Druck-Verfahren erfolgt. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Analyse der Daten der zu erzeugenden 3D-Struktur erfolgt, bei welcher kritische Bereiche innerhalb der zu erzeugenden 3D-Struktur ermittelt werden, und dass für den Fall, dass ein ermittelter kritischer Bereich bei der Erzeugung der 3D-Struktur erreicht wird, eine zumindest zeitweise Verringerung einer Bewegungsgeschwindigkeit von Arbeitsmitteln des 3D-Druckers über dem Baufeld erfolgt.

Description

VERFAHREN ZUM ERZEUGEN EINER 3D-STRUKTUR, WOBEI DIE BEWEGUNGSGESCHWINDIGKEIT VON ARBEITSMITTELN, INSBES. EINES RAKELS, BEI KRITISCHEN BEREICHEN VERRINGERT WIRD
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur, bei welchem eine 3D-Struktur in einem 3D-Drucker schichtweise aufgebaut wird.
Bekannt ist es, zur Herstellung einzelner oder serienmäßiger Bauteile, Werkstücke oder Formen einen sogenannten 3D-Druck bzw. ein sogenanntes 3D- Druckverfahren einzusetzen. Bei derartigen Druckverfahren werden dreidimensionale Bauteile oder Werkstücke schichtweise aufgebaut hergestellt.
Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Vorgaben für die zu druckenden Bauteile oder Werkstücke können beispielsweise von sogenannten rechnerunterstützten Konstruktionssystemen (CAD engl computer-aided design) bereitgestellt werden.
Beim Druck der 3D-Strukturen bzw. 3D-Bauteilen finden physikalische oder che mische Härtungsprozesse oder ein Schmelzprozess in einem partikelförmigen Baumaterial, welches auch als Formstoff bezeichnet wird, statt. Als Werkstoffe für derartige 3D-Druckverfahren werden Baumaterialien bzw. Formstoffe wie Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle eingesetzt.
Bei der Umsetzung von 3D-Druckverfahren sind verschiedene Fertigungsverfahrensabläufe bekannt.
Mehrere dieser Verfahrensabläufe umfassen jedoch die nachfolgend beispielhaft dargestellten Verfahrensschritte:
• Teil- oder vollflächiges Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial, auch als Partikelmaterial oder pulverförmiges Aufbaumaterial bezeichnet, auf ein sogenanntes Baufeld, um eine Schicht aus nichtverfestigtem Partikelmaterial zu bilden;
• Selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht aus nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial in vorbestimmten Teilbereichen, beispielsweise durch ein selektives Verdichten, Aufdrucken oder Aufbringen von Behandlungsmittel, wie beispielsweise einem Bindemittel oder Einsatz von Laser;
• Wiederholung der vorhergehenden Verfahrensschritte in einer weiteren Schichtebene zum schichtweisen Aufbau des Bauteils oder Werkstücks. Hierfür ist es vorgesehen, das Bauteil oder Werkstück, welches auf dem Baufeld schichtweise aufgebaut bzw. aufgedruckt wird, mit dem Baufeld jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke abzusenken oder die 3D- Druckvorrichtung jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke gegenüber dem Baufeld anzuheben, bevor eine neue Schicht teil- oder vollflächig aufgetragen wird;
• Nachfolgendes Entfernen von losem, nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial, welches das gefertigte Bauteil oder Werkstück umgibt.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur bzw. zum Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial auf ein Baufeld zur Erzeugung einer 3D-Struktur bekannt.
Aus der DE 102005022 308 A1 sind ein Beschichter und ein Verfahren zum Aufträgen von pulverförmigen Schichten in einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen Materials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objekts entsprechenden Stellen bekannt.
Die zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen Baumaterials bereitzustellen, mit der bzw. mit dem die Bauzeit für das dreidimensionale Objekt verkürzt werden kann.
Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung einen über einem Baufeld verfahrbaren Beschichter zum Aufbringen der Schichten des pulverförmigen Baumaterials in dem Baufeld auf. Der Beschichter ist mit einer steifen Klinge ausgebildet, die starr mit dem Beschichter verbunden ist. Zum Vonwärmen des pulverförmigen Baumaterials ist der Beschichter mit einer Heizeinrichtung versehen, die zumindest teilweise in den Beschichter integriert ist. Dadurch ist es möglich, das Pulver schon während oder vor dem Aufträgen als Schicht vorzuwärmen und damit die Gesamtbauzeit für das dreidimensionale Objekt zu verkürzen.
Aus der WO 2016/095888 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Formteile mittels Schichtaufbautechnik bekannt, wobei der Feuchtegehalt der Baumaterialmischung geregelt werden kann.
Es soll ein Verfahren und ein Materialsystem bereitgestellt werden, mit welchem gleichbleibende Materialeigenschaften, insbesondere die Fließeigenschaften des Baumaterials, während des Aufbauprozesses sichergestellt werden können.
Daher ist es vorgesehen, dass das partikelförmige Baumaterial mittels eines Beschichters in einer definierten Schichtstärke auf ein Baufeld aufgetragen wird. Weiterhin wird über einen Druckkopf Binderflüssigkeit selektiv auf das Baumaterial aufgetragen, wobei die Binderflüssigkeit mittels in den Sand eingebrachtem mindestens einem Aktivator polymerisiert wird. Vorgesehen ist es auch, dass das Baufeld um die Schichtstärke abgesenkt wird oder der Beschichter um eine Schichtstärke angehoben wird und diese Schritte wiederholt werden, bis das gewünschte Formteil erzeugt ist, wobei in das Baumaterial, die Binderflüssigkeit oder/und in dem Aktivator Mittel eingebracht werden oder sind, mit denen der Feuchtegehalt der Baumaterialmischung geregelt werden kann.
In diesem Verfahren wird die Feuchtigkeit im Sand geregelt. Insbesondere werden der Wassergehalt und der Flüssigkeitsgehalt geregelt oder zumindest stabilisiert. Derart sollen im Wesentlichen immer gleiche chemische und physikalische Eigenschaften bei der Herstellung der dreidimensionalen Formteile erzielt werden.
Bei derartigen 3D-Druckern aus dem Stand der Technik ist es üblich, dass der Aufbau einer Schicht beziehungsweise mehrerer Schichten mit einer konstanten beziehungsweise jeweils gleichbleibenden Geschwindigkeit erfolgt. Hierbei ist die Geschwindigkeit gemeint, mit welcher sich die Arbeitsmittel eines 3D-Druckers über das sogenannte Baufeld bewegen, auf welchem die 3D-Struktur erzeugt wird.
Zur Erhöhung der Effektivität derartiger 3D-Drucker wird auch diese Geschwindigkeit gesteigert, um einen 3D-Druck in einer kleineren Zeiteinheit durchführen zu können. Dabei werden Geschwindigkeiten beziehungsweise Verfahrgeschwindigkeiten der Arbeitsmittel über dem Baufeld von 500 mm/s und mehr erreicht.
Hierbei kommt es aber insbesondere bei zunehmenden Geschwindigkeiten zu Problemen beim exakten Aufbau von Strukturen mit kleinen Abmessungen.
Ein Nachteil dieses bekannten Standes der Technik besteht somit darin, dass beispielsweise durch immer höhere Geschwindigkeiten beim Druck einer Schicht in einem 3D-Drucker in hierfür anfälligen Bereichen beziehungsweise mechanisch anfälligen Bereichen ein Aufreißen oder ein Verschieben von Teilbereichen in einer aktuell aufzubauenden Schicht oder einer unter dieser Schicht liegenden Schicht erfolgen kann. Hierdurch entstehen Fehler im dreidimensionalen Endprodukt, welche die Qualität vermindern und im schlimmsten Fall zu einem Aus schussprodukt führen.
Somit besteht ein Bedarf nach einer Verbesserung des bekannten Standes der Technik und somit an einem verbesserten Verfahren zum Erzeugen einer 3D- Struktur in einem 3D-Drucker.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Erzeugen einer 3D- Struktur beziehungsweise von Schichten einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker anzugeben, womit ein sicherer und exakter Aufbau der Schichten bei einem 3D- Druck-Verfahren erfolgt.
Insbesondere soll die Qualität des 3D-Drucks in kritischen Bereichen, in welchen ein Aufreißen oder ein Verschieben von Teilstrukturen der 3D-Struktur in einer aktuell aufzubauenden Schicht oder einer unter dieser Schicht liegenden Schicht erfolgen kann, sichergestellt werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentan spruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgesehen ist es, dass das Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker in allen 3D-Druckern beziehungsweise 3D-Druckmaschinen zur Anwendung kommt, in welchen ein Substratauftrag und/oder ein Fluidauftrag erfolgt, insbesondere in 3D-Druckern beziehungsweise 3D-Druckmaschinen, bei welchen der Aufbau der 3D-Struktur computergesteuert erfolgt.
Derartige 3D-Drucker verfügen über eine den Aufbau der Schichten beim 3D- Druck steuernde Steuereinheit, welcher in einer maschinenlesbaren Form beziehungsweise einem maschinenlesbaren Kode Steuerbefehle übermittelt werden.
Ein derartiger, die Erzeugung der Schichten beim 3D-Druck steuernder, maschinenlesbarer Kode mit Steuerbefehle kann aus Vorgaben für die zu druckenden Bauteile oder Werkstücke von einem rechnerunterstützten Konstruktionssystem (CAD) erzeugt und an die Steuereinheit des 3D-Druckers übertragen werden. Dieser maschinenlesbare Kode ist üblicherweise ein digitaler Kode, welcher übli chen Standards beziehungsweise Normen, wie beispielsweise der internationalen Norm ICE 61131 oder der internationalen Norm ICE 61499, entspricht.
Vorgesehen ist es, dass eine Analyse der zu erzeugenden 3D-Struktur dahinge hend erfolgt, dass sogenannte kritische Bereiche innerhalb der zu erzeugenden 3D-Struktur beziehungsweise innerhalb der Schichten der zu erzeugenden 3D- Struktur aufgefunden werden.
Bei dieser Analyse werden insbesondere Bereiche als kritische Bereiche eingestuft, in welchen die Gefahr besteht, dass beim Aufträgen der aktuellen Schicht Fehler in der zu erzeugenden 3D-Struktur entstehen. Hierbei wird unter Fehlern in der zu erzeugenden 3D-Struktur insbesondere ein Aufreißen und/oder ein Verschieben von Bereichen beziehungsweise Teilbereichen der zu erzeugenden 3D- Struktur in einer oder mehreren Schichten verstanden.
Als kritische Bereiche werden Bereiche eingestuft, in welchen ein Aufbringen einer Teilstruktur der zu erzeugenden 3D-Struktur direkt auf der Oberfläche eines Substrats erfolgt, da in diesem Fall eine unzureichende Haftung zwischen der aufzubringenden Teilstruktur und dem Substrat auftreten kann. Hierbei ist das Substrat eine Fläche, auf welcher die zu erzeugende 3D-Struktur schichtweise aufgebaut wird und welche auch als Baufeld beziehungsweise Baubett eines 3D- Druckers bezeichnet wird. Derartige kritische Bereiche sind auch Bereiche, in welchen ein Aufbringen einer Teilstruktur der zu erzeugenden 3D-Struktur auf kleinen Teilstrukturen einer darunterliegenden Schicht erfolgen soll. Derartige kleine Teilstrukturen entstehen beispielsweise, wenn Abmessungen der in Schichten übereinander angeordneten Teilstrukturen derart klein sind, dass bei einem beispielsweise stapelartigen Aufbau dieser Teilstrukturen nur geringe mechanische Festigkeiten zu erwarten sind. Derartige geringe Festigkeiten weisen Teilstrukturen mit geringstmöglichen Abmessungen beispielsweise im Bereich von einer Länge von 0,1 mm und einer Breite von 0,1 mm bis hin zu Abmessungen im Bereich von einer Länge von 5 mm oder mehr und einer Breite von 5 mm oder mehr auf. Diese Abmessungen sind vom Formstoff, der Verarbeitungsgeschwindigkeit des Formstoffs und den Fluideigenschaften abhängig. Darüber hinaus können derartige kritische Bereiche auch einen Teil einer aktuellen Schicht umfassen oder eine komplette Schicht sein, beispielsweise bedingt durch die zu fertigende aufwendige beziehungsweise komplizierte 3D-Struktur.
Hierbei muss die Länge natürlich nicht gleich mit der Breite der Teilstruktur sein. Insbesondere lange, aber sehr schmale Teilstrukturen im Bereich der angegebenen Abmessungen weisen ebenfalls eine geringe mechanische Festigkeit beim Aufbau auf. Hierbei kommt es auch auf die Ausrichtung derartiger schmaler und langer Strukturen an. Weist eine lange und schmale Teilstruktur, beispielsweise mit den Abmessungen einer Länge von 20 mm und einer Breite von 0,3 mm mit ihrer Längserstreckung in die Richtung, in welcher die Arbeitsmittel des 3D- Druckers über das Baufeld bewegt werden, so treten Probleme im Schichtaufbau beispielsweise nur am Anfang und am Ende dieser Teilstruktur auf, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D-Druckers über dem Baufeld zu groß ist.
Derartige Arbeitsmittel des 3D-Druckers sind beispielsweise ein Abstreifelement wie ein Rakel, eine Klinge oder eine Schwingklinge.
Für den Fall, dass diese längliche Teilstruktur mit ihrer Längserstreckung in einem Winkel von 90 Grad zu der Richtung, in welcher die Arbeitsmittel des 3D-Druckers über das Baufeld bewegt werden, ausgerichtet schichtweise aufgebaut werden soll, so treten Probleme im Schichtaufbau entlang des gesamten Bereichs dieser länglichen Teilstruktur auf, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D-Druckers über dem Baufeld zu groß ist.
Ein weiterer kritischer Bereich ist ein Bereich, in welchem ein Aufbringen einer Teilstruktur der zu erzeugenden 3D-Struktur auf einem Untergrund erfolgt, welcher keinen ausreichenden Halt bietet für den Fall, dass die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D-Druckers über dem Baufeld zu groß ist.
Ein derartiger Untergrund ist das partikelförmige Baumaterial. Dieser Fall tritt ein, wenn nach dem Aufbau einer der mehreren Schichten der zu erzeugenden 3D- Struktur an einer Stelle über dem partikelförmigen Baumaterial eine Teilstruktur mittels selektiver Verfestigung beziehungsweise Verklebung des partikelförmigen Baumaterials an der Stelle dieser Teilstruktur erfolgt, da diese Teilstruktur noch keine Verbindung beziehungsweise Verbindungstelle zu der zu erzeugenden 3D- Struktur aufweist. Eine derartige Verbindung zur 3D-Struktur wird in diesem Fall erst im Verlauf des 3D-Druckverfahrens in einer später zu erzeugenden Schicht hergestellt, welche einen größeren Abstand zum Baubett aufweist.
Darüber hinaus ist es möglich, weitere Kriterien für kritische Bereiche festzulegen und diese in der Analyse mit einzubeziehen.
Wird bei der Analyse der zu erzeugenden 3D-Struktur ein kritischer Bereich im Strukturaufbau erkannt, werden Daten beziehungsweise Fahrdaten zu diesem erkannten kritischen Bereich erzeugt und gespeichert beziehungsweise dokumen tiert. Diese Daten umfassen mindestens eine Information zur Lage beziehungsweise zu einer Position des erkannten kritischen Bereichs. Somit ist dessen Position auf oder über dem Baubett mit entsprechenden Koordinaten, beispielsweise in einer X-, einer Y- und einer Z-Richtung eines Koordinatensystems auf dem Baufeld, bekannt.
Darüber hinaus können diese Daten neben den X- und Y-Koordinaten eines kritischen Bereichs oder einer in der aktuellen Schicht zu fertigenden Teilstruktur Informationen zu einer Außenkontur beziehungsweise Spurkurve der Teilstruktur und/oder deren Abmessung beziehungsweise Erstreckung beispielsweise mit einer Länge und einer Breite, auch als Bounding Box bezeichnet, umfassen. Vorgesehen ist es, die Daten beziehungsweise Fahrdaten der Analyse, also die erkannten kritischen Bereiche, an die Steuereinheit zu übermitteln. Eine derartige Übermittlung der Daten zu den erkannten kritischen Bereichen kann unabhängig oder mit den Daten, welche den schichtweisen Aufbau der 3D-Strucktur durch die Steuereinheit steuern, an die Steuereinheit erfolgen.
Vorgesehen ist es, dass die Steuereinheit einen Vergleich der aktuellen Position des Aufbaus der 3D-Struktur mit den Positionsdaten der kritischen Bereiche durchführt und für den Fall, dass eine Übereinstimmung erkannt wird, die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D-Druckers über dem Baufeld verändert.
Diese Veränderung kann eine starke Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit in kritischen Bereichen oder besonders kritischen Bereichen sein. Alternativ kann diese Veränderung eine weniger starke Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit in weniger kritischen Bereichen sein.
Zusätzlich zur Veränderung der Bewegungsgeschwindigkeit ist es vorgesehen, den Substrataustrag, also die Substratmenge des partikelförmigen Substrats, welche pro Fahrmeter über dem Baufeld aufgetragen wird, zu steuern beziehungsweise an die sich verändernde Bewegungsgeschwindigkeit anzupassen. Derart wird die Höhe des aufgetragenen partikelförmigen Substrats reguliert be ziehungsweise konstant gehalten.
Vorgesehen ist es auch, dass ein derartiger Vergleich mit einem zeitlichen Vorlauf erfolgt und die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D-Druckers über dem Baufeld bereits kurz vor dem Erreichen eines kritischen Bereichs verringert wird. Hierbei kann eine Zeit für diesen Vorlauf bestimmt werden. Alternativ kann eine Entfernung bestimmt werden, in welcher vor dem Erreichen eines kritischen Bereichs die Bewegungsgeschwindigkeit verringert wird.
Für den Fall, dass die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D- Druckers über dem Baufeld unter einer festgelegten Geschwindigkeitsgrenze liegt, ist es vorgesehen, keine Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit zu bewirken. Ebenfalls vorgesehen ist es, dass die Steuereinheit durch ihren Vergleich der aktuellen Position des Aufbaus der 3D-Struktur mit den Positionsdaten der kritischen Bereiche erkennt, wann ein derartiger kritischer Bereich verlassen wird. In diesem Fall kann die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D-Druckers über dem Baufeld wieder verändert, beispielsweise erhöht werden. Eine derartige Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit kann fortgesetzt werden, bis die Bewe gungsgeschwindigkeit, mit welcher sich die Arbeitsmittel des 3D-Druckers vor Erreichen des kritischen Bereichs bewegt haben, wieder erreicht worden ist. Alternativ kann die Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit fortgesetzt werden, bis eine maximal mögliche Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel erreicht worden ist.
Weiterhin vorgesehen ist es, dass bei der Analyse der kritischen Bereiche ein Maß für eine Wahrscheinlichkeit eines Auftretens von Fehlern im dreidimensionalen Endprodukt durch diesen kritischen Bereich bestimmt wird. Für den Fall, dass diese Wahrscheinlichkeit groß ist, ist es vorgesehen, die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D-Druckers über dem Baufeld mehr zu reduzieren als für den Fall einer geringeren Wahrscheinlichkeit. Somit können besonders sensible Teilbereiche der 3D-Struktur sicher erzeugt werden, wobei in weniger sensiblen Teilbereichen eine kleinere Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel einen zeitlichen Vorteil bei der Erzeugung der 3D-Struktur ermöglicht.
Vorgesehen ist es auch, dass mit einer Veränderung der Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel eine entsprechende Anpassung von sogenannten Sub stratauftragsparameter vorgenommen wird. Hierbei wird beispielsweise eine Menge eines auf eine Schicht aufzutragenden partikelförmigen Substrats geschwindigkeitsabhängig beeinflusst. So wird mit einer zunehmenden Geschwindigkeit die Menge des aufzutragenden partikelförmigen Substrats pro Zeiteinheit erhöht, um eine gleichbleibende Schichtdicke des partikelförmigen Substrats zu erreichen und umgekehrt.
Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzug- ten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit der zugehörigen Zeichnung besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigt:
Fig. 1: einen beispielhaften Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Ver fahrens zum Erzeugen einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker.
In der Figur 1 ist ein beispielhafter Verfahrensablauf des erfindungsgemäßen Ver fahrens zum Erzeugen einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker dargestellt.
In einem Schritt 1 startet das Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur beziehungsweise von Schichten einer 3D-Strucktur in einem 3D-Drucker.
In einem zweiten Schritt 2 wird die Analyse der zu erzeugenden 3D-Struktur dahingehend durchgeführt, dass sogenannte kritische Bereiche innerhalb der zu erzeugenden 3D-Struktur beziehungsweise innerhalb der Schichten der zu erzeu genden 3D-Struktur aufgefunden werden. Die der Analyse zugrundeliegenden Daten zur Erzeugung der 3D-Struktur können beispielsweise mittels eines rechnerunterstützten Konstruktionssystems erzeugt werden und liegen in einer ma schinenlesbaren Form wie einem digitalen Kode vor.
Bei dieser Analyse werden kritische Bereiche, also mechanisch anfällige Bereiche, in welchen ein Aufreißen oder ein Verschieben von Teilstrukturen nach den oben aufgeführten Beispielen erfolgen kann, ermittelt. Zu diesen Bereichen werden im Schritt 3 Positionsdaten bestimmt und gespeichert. Diese Positionsdaten können beispielsweise einer X-, einer Y- und einer Z-Richtung eines Koordinatensystems auf dem Baufeld entsprechen. Alternativ kann auch nur eine X- und eine Y-Koordinate über dem Baufeld und eine Nummer für die entsprechende Schicht, in welcher der aufgefundene kritische Bereich liegt, bestimmt werden.
Werden im Schritt 2 bei der Analyse der zu erzeugenden 3D-Struktur keine kritischen Bereiche ermittelt, wird das Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur im Schritt 6 beendet. Parallel hierzu erfolgt der 3D-Druck, gesteuert mittels einer Steuereinheit, welche die vom rechnerunterstützten Konstruktionssystem erzeugten maschinenlesbaren Daten umsetzt und den 3D-Druck steuert.
Die im Schritt 3 bestimmten Positionsdaten werden an die den 3D-Druck steuernde Steuereinheit, wie beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), übertragen und fließen in den Steuerungsablauf des 3D-Drucks entsprechend ein.
Wird im Schritt 4 bei der Erzeugung eines 3D-Drucks eine Position erreicht, welche bei der vorhergehenden Analyse als kritischer Bereich ausgewiesen wurde, wird durch die Steuereinheit die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D-Druckers über dem Baufeld im Schritt 5 verändert beziehungsweise verringert.
Diese Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel kann bereits kurz vor dem Erreichen eines kritischen Bereichs im Schritt 5 erfolgen. Nach dem Verlassen eines kritischen Bereichs wird die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel im Schritt 5 wieder erhöht, wobei auch diese Erhöhung der Geschwindigkeit zeitlich verzögert erfolgen kann.
Die Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel erfolgt beispielsweise solange, bis die vor dem Erreichen des kritischen Bereichs gefahrene Ge schwindigkeit oder eine maximal mögliche Geschwindigkeit erreicht worden ist.
Parallel zur Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D- Druckers über dem Baufeld durch die Steuereinheit werden Parameter, welche mit einer Veränderung der Bewegungsgeschwindigkeit Zusammenhängen, wie beispielsweise die Menge des pro Zeiteinheit auf eine Schicht aufzutragenden partikelförmigen Materials oder eine Andruckkraft einer Klinge, mit welcher das partikelförmige Material angezogen und/oder verfestigt werden kann, durch die Steuereinheit geschwindigkeitsabhängig angepasst.
Alternativ ist es möglich, dass die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel durch die Steuereinheit für einen Bereich, welcher sich räumlich weit über einen kritischen Bereich erstreckt, reduziert wird.
Ebenso ist es möglich, die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel für die gesamte aktuelle Schicht zu verringern, wenn in dieser Schicht ein oder mehrere kritische Bereiche bei der Analyse aufgefunden worden sind.
Weiterhin möglich ist es, die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel für die gesamte aktuelle Schicht zu verringern, wenn eine bestimmte Anzahl von kritischen Bereichen analysiert worden ist, um derart beispielsweise eine kontinuierli- chere Bewegung der Arbeitsmitel des 3D-Druckers über dem Baufeld sicherzustellen.
Mit der Fertigstellung des 3D-Drucks wird das Verfahren zum Erzeugen einer 3D- Struktur im Schrit 6 beendet.
In einem Beispiel kann eine derartige Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D-Druckers über dem Baufeld 1000mm/s betragen, während die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmitel in beziehungsweise vor kritischen Berei chen auf 300mm/s reduziert wird.
Liste der Bezugszeichen
1 Start
2 Analyse der zu erzeugenden 3D-Struktur
3 Positionsdaten bestimmen und speichern Erzeugung 3D-Druck
5 Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit
6 Ende

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen einer 3D-Struktur, bei welchem eine 3D-Struktur in einem 3D-Drucker mittels bereitgestellter Daten der zu erzeugenden 3D- Struktur schichtweise auf einem Baufeld aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Analyse der Daten der zu erzeugenden 3D-Struktur erfolgt, bei welcher kritische Bereiche innerhalb der zu erzeugenden 3D- Struktur ermittelt werden und dass für den Fall, dass ein ermittelter kritischer Bereich bei der Erzeugung der 3D-Struktur erreicht wird, eine zumindest zeitweise Verringerung einer Bewegungsgeschwindigkeit von Arbeitsmitteln des 3D-Druckers über dem Baufeld erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein kritischer Bereich ein Bereich ist, in welchem ein Aufbringen einer Teilstruktur der zu erzeugenden 3D-Struktur direkt auf eine Oberfläche eines Substrats oder eines Baufelds erfolgt, und/oder dass ein kritischer Bereich ein Bereich ist, in welchem ein Aufbringen einer Teilstruktur der zu erzeugenden 3D-Struktur auf kleinen Teilstrukturen einer darunterliegenden Schicht erfolgt, und/oder dass ein kritischer Bereich ein Bereich ist, in welchem ein Aufbringen einer Teilstruktur der zu erzeugenden 3D-Struktur auf einem Untergrund erfolgt, welcher keinen ausreichenden Halt bietet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem aufgefundenen kritischen Bereich Positionsdaten erzeugt und abgespeichert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsdaten Informationen zu einer Nummer einer Schicht und eine X-Koordinate sowie eine Y-Koordinate in einem Koordinatensystem auf dem Baufeld beinhalten oder dass die Positionsdaten eine X-Koordinate, eine Y- Koordinate und eine Z-Koordinate in einem Koordinatensystem auf dem Baufeld beinhalten.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D-Druckers nach einem Verlassen des kritischen Bereichs aufgehoben wird und dass eine vor Erreichen des kritischen Bereichs aktuelle Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel wiederhergestellt wird oder dass eine maximal mögliche Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel erreicht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verringerung der Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel bereits vor dem Erreichen eines kritischen Bereichs erfolgt, wobei hierfür ein Abstand oder eine Zeiteinheit vorgegeben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Positionsdaten an eine Steuereinheit übertragen werden, welche mit den bereitgestellten Daten der zu erzeugenden 3D-Struktur den 3D-Druck und mit den Positionsdaten die Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel steuert.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerein heit parallel zur Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit der Arbeitsmittel eine Anpassung von Parametern zur Steuerung der Menge eines pro Zeiteinheit aufzubringenden partikelförmigen Substrats vornimmt und derart eine gleichmäßige Schichtdicke des partikelförmigen Substrats sichergestellt ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein kritischer Bereich eine Abmessung mit einer Länge unter 5 mm und/oder einer Breite unter 5 mm, insbesondere eine Abmessung mit einer Länge unter 1 mm und/oder einer Breite unter 1 mm, aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der zu erzeugenden 3D-Struktur und die Positionsdaten in einer maschinenlesbaren Form bereitgestellt werden.
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