WO2022022762A1 - Verfahren zur überwachung eines oberflächenprofils in einem 3d-drucker - Google Patents

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Ivan Gaer
Frank Wedemeyer
Rudolf Wintgens
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Laempe Mössner Sinto Gmbh
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring a surface profile in a 3D printer, in which an image of the surface profile is generated and evaluated on a construction area of a 3D printer.
  • a surface profile is to be monitored on a construction site, with each individual applied layer of a particulate construction material being monitored, as well as parts of a layer.
  • irregularities in the application of the particulate building material or the generation of a 3D partial structure are monitored in particular. Errors in the construction of a layer of a particulate building material and errors in the construction of a 3D partial structure are detected here.
  • the structure 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
  • a particulate building material which is also referred to as molding material.
  • Building materials or molding materials such as plastics, synthetic resins, ceramics and metals are used as materials for such 3D printing processes.
  • particulate building material also referred to as particulate material or powdered building material
  • construction field in order to form a layer of non-solidified particulate material
  • DE 102017202088 A1 discloses a method for powder bed-based additive manufacturing of a workpiece.
  • a computer program product that is suitable for the automatic implementation of the method and a computer-readable data carrier with such a computer program product and a machine are disclosed.
  • the problem to be solved is to specify a method for the powder bed-based additive manufacturing of components, in which a metrological detection of the surface of the manufactured work piece position can be used to correct the manufacturing result.
  • a computer program product is to be specified which can control such a method.
  • the solution is that a computer generates a surface profile of the topography recorded by measurement.
  • a tolerance range is taken into account by the computer for permissible height differences between the surface profile of the workpiece position in question and the target surface or for the permissible height difference between the highest area and the lowest area of the measured surface profile of the workpiece position in question.
  • the computer causes the control device to apply an additional powder layer to the powder bed and to solidify a local intermediate layer in the deeper areas of the workpiece layer in question, with which the existing one is solidified Height differences are reduced.
  • a metrological acquisition of the surface profile is provided with a measuring device using an optical triangulation sensor system.
  • Such a metrological detection is technically complex and requires a cost-intensive technique for triangulation.
  • the object of the invention is to provide a method for monitoring a surface profile in a 3D printer, with which a simple, fast and reliable detection of the surface profile of a layer of a particle-like building material on a construction site or 3D substructures within a Layer of a particulate building material on the construction site to monitor the quality of the generation of a 3D structure takes place, with the technical effort and costs are reduced.
  • an arrangement which is referred to below as a scanning arrangement, with a number of optics or optical sensors is arranged over the construction area of a 3D printer or a 3D printing machine.
  • the optical sensors in the scanning arrangement are arranged next to one another in a row or line, with the longitudinal extent of the scanning arrangement extending over the entire width of the build area of the 3D printer.
  • this scanning arrangement moves over the construction area of a 3D printer, the distance between the optical sensors and the surface of the construction area being, for example, at a distance of between 0.5 mm and
  • the scanning arrangement is aligned at an angle of 90 degrees to the direction of movement over the construction area.
  • This direction of movement of the scanning arrangement corresponds to the direction of movement of the working means of the 3D printer over the construction site.
  • working means can be, for example, a stripping element such as a squeegee, a blade or an oscillating blade.
  • a line consisting of several pixels is generated as an optical partial image of the surface of the construction field.
  • partial images of the surface profile of the building site are generated line by line in chronological sequence.
  • These partial images are assembled line by line using appropriate processing software, which is processed in a processing unit associated with the 3D scanner, to form an overall image of the surface or the surface profile of the construction site, referred to here as an image.
  • This creates a complete picture of the surface profile with a high resolution, the mapping of the surface profile.
  • a resolution is, for example, in the range from 150 dpi to 1200 dpi, which corresponds to a number of 1200 optical sensors in one line of a scanning arrangement with a length of 25.4 mm.
  • Images of the surface or of the surface profile are generated with a very high resolution and accuracy by a coordinated frequency for the scanning by means of the scanning arrangement and a corresponding speed for the movement of the scanning arrangement over the surface of the construction field.
  • a higher resolution of the image to be generated in the direction of movement of the scanning arrangement is thus achieved by means of a higher frequency during scanning or a higher recording frequency. Since the number of optical sensors arranged in a line in the scanning arrangement does not change from, for example, 1200 sensors over a length of 25.4 mm, the resolution in the direction of the line of the scanning arrangement is independent of the speed of the scanning arrangement in the direction of movement. This resolution is only determined by the permanently installed number of optical sensors in line.
  • the optical sensors have, for example, what is known as a focus range, which can be around 1 mm. This means that the resulting images of the surface of the construction area or the resulting scans have a high level of accuracy if the distance between the optical sensors and the surface of the construction area is exactly 1 mm. Since this distance of 1 mm to the surface is kept constant during the movement of the scanning arrangement over the surface of the construction area, high-quality images are produced without the need for adjustment or processing of the data from the optical sensors.
  • the optical sensors are aligned perpendicularly to the construction area and also to the surface of the construction area, which can be formed by an applied particulate construction material.
  • the images or scans are orthographic. Thus, no measures such as optical equalization are necessary to generate an image of the surface of the construction area.
  • a template for example with an image of a chessboard and a resolution of 3600 dpi by 3600 dpi, over which the scanning arrangement is moved at a distance of 1 mm, for example.
  • the exemplary checkerboard pattern makes it possible to recognize whether the scanning arrangement is aligned at an angle of exactly 90 degrees to the direction of movement over the construction field. If deviations occur during this calibration that exceed a certain tolerance limit, then there is the possibility of mechanically readjusting the scanning arrangement in order to eliminate the deviation. Alternatively, the determined deviation can be saved. In this case, the image of the surface of the construction site or a surface profile generated by the scanning arrangement is corrected by computer using the stored deviation.
  • the scanning arrangement thus generates an image of the surface of the construction area or the surface profile without particulate construction material applied to the construction area.
  • the scanning arrangement generates an image of the surface of the construction area or the surface profile after particulate construction material has been applied to the construction area.
  • the application of the particulate building material to the building site can be carried out partially or completely.
  • the scanning arrangement generates an image of the surface of the construction area or the surface profile after the particulate construction material applied to the construction area has been selectively solidified, which can be done, for example, by imprinting a binding agent.
  • binders can be, for example, organic or inorganic liquid adhesives, which can be applied, for example, by means of a print head.
  • Images of the respective surface profile of the construction site as two-dimensional images (2D images) can be generated, for example, in the states before or after the application of the particulate building material or before or after selective solidification of the particulate building material.
  • the images described are preferably generated by means of the scanning arrangement described here, but is not restricted to this.
  • a wide-angle camera can also be used for high-resolution recording of the entire construction area, with these recordings subsequently having to be corrected. Disadvantages are that a longer travel distance is necessary to record the entire construction site.
  • the tools used to generate the images must be moved to the side.
  • the recording width and offset in the direction of travel can be arranged across the recording width and offset in the direction of travel if this is necessary due to the limited installation space for each camera.
  • This variant can be used to generate recordings in the form of individual images or videos and, for example, rectify them and put them together.
  • one or more 3D line lasers with greyscale recording can be used. If several of these 3D line lasers are used, the accuracy of the image to be generated is improved.
  • multiple scanning arrangements with optical sensors arranged in a line can also be arranged in order to cover the entire width of the construction field.
  • These scanning arrangements can also be offset from one another in the direction of travel.
  • the plan is to evaluate or analyze the images or 2D images generated, for example, with a scanning arrangement, in order to detect errors in the respective phases of the generation of a 3D structure on the construction site. Such an evaluation can be carried out, for example, by an experienced operator viewing the 2D images.
  • An analysis or an image comparison, controlled by appropriate software, is much faster and more effective.
  • irregularities in the surface profile can also be detected in addition to errors in the generation of the 3D structure on the construction site.
  • Such irregularities indicate, for example, places where too much or too little particulate building material has been applied.
  • Such irregularities also indicate, for example, places where there are foreign bodies on the surface.
  • such irregular measures for example, to a change in the composition of the particulate building material.
  • Irregularities can also occur if, for example, a defective squeegee, a defective blade or a defective oscillating blade causes indentations such as a ditch or elevations when scraping or smoothing the surface of the particulate building material.
  • irregularities in a surface profile recorded after selective solidification by pressing a binder indicate defects in nozzles of a print head, a defective print head, or an incorrect alignment of such a print head.
  • 3D printers of the type according to the invention usually have a plurality of print heads arranged in a group, which are arranged precisely aligned with one another.
  • an image comparison can be used to check that a 3D structure has been correctly generated. From data for the 3D structure to be produced, which is available in the 3D printer for each layer to be produced, it is possible to generate or produce an expected image, ie a target image. Such a target image can be generated for each layer. Such a target image can also be generated for different method steps within a layer. Such process steps are, for example, applying a particulate material, compacting the particulate material, selectively solidifying the particulate material, for example by means of a binder, and others. In this way, this target image can be compared with the recorded surface profile, ie the generated image, and errors and/or inaccuracies can be detected.
  • the target image generated for each layer to be generated or the target images generated for different method steps within a layer are stored. In the event that the same 3D structure is to be generated several times in the 3D printer, it is possible to access the saved target images.
  • errors in the alignment of one or more print heads in the X direction and/or in the Y direction can be detected. Errors caused by clogged nozzles, contamination, nozzle plate defects and others can also be detected.
  • a corresponding error message can generally be output and such a defect can be specifically presented, for example by means of a corresponding label.
  • Binding agent of one or more nozzles a targeted cleaning process can be initiated before the next layer of the 3D structure to be created is created.
  • a failure of the controlling electronics can be concluded in this way.
  • a test routine can be initiated and an error in the electronics can be analyzed.
  • assemblies such as an applicator of the particulate building material (recoater), a laser, an extruder, a blade, a squeegee and other elements of a 3D printer in their Functionality or to influence their position or alignment by means of appropriate software and appropriate adjustment means in such a way that the errors and/or irregularities caused are reduced or eliminated.
  • corresponding error images For the purpose of detecting errors and/or irregularities in assemblies, provision is also made for corresponding error images to be stored. In this way, the scanned surface profile or the image generated from the surface profile can also be compared with stored error images and the type of error or defect in an assembly can be determined in this way.
  • Such defect images can also depict only partial areas of the entire surface profile and represent comparable patterns for defects such as stripes, depressions, holes and other defects on a surface of the particulate material. If, during an image comparison of the generated image of the surface profile, a match with these error images of partial areas with a specific percentage match is established, then a corresponding error is inferred. The fault determined in this way can then be used to infer one or possibly several defective assemblies.
  • a major advantage of the method according to the invention for monitoring a surface profile in a 3D printer lies in the accuracy of the scan of the surface profile, ie the generated image, with such a scan taking place, for example, with a resolution of 1200 dpi by 1200 dpi. In this way, errors and/or irregularities can be detected which otherwise can only be detected with a microscope.
  • a further advantage of the method according to the invention can be seen in the fact that the image of the surface profile can be generated without additional expenditure of time being necessary.
  • the time for generating a 3D structure not enlarged when using the method according to the invention. This is possible because the scanning arrangement is arranged and movable parallel to the working means of the 3D printer.
  • the scanning arrangement can be moved, for example, parallel to an applicator for the particulate building material, at a small distance from this and, for example, at the same speed over the building site.
  • depressions or elevations on the surface of the particulate building material on the construction site can be intensified and thus better recognized by image processing of the scan of the image of the surface profile, for example by means of a false color display.
  • a white balance For this purpose, for example, a white template placed on the construction field can be used. A white balance can then be carried out by means of a scanning process of this template and corresponding data for this can be stored.
  • a further advantage of the method according to the invention can be seen in the fact that the optical sensors of the scanning arrangement enable an orthographic recording of the surface profile and that no measures are therefore necessary to rectify the recording of the surface profile.
  • references marks are arranged at the edge of the construction area in order to detect the current position of the scanning arrangement over the construction area. These reference marks can also be scanned or recorded by the correspondingly wide scanning arrangement can thus be evaluated and thus enable conclusions to be drawn about the current position of the scanning arrangement over the construction area.
  • a number of pixels in colored areas of the generated image can be determined and set in relation to the target number of pixels.
  • a check for the presence of colored components can be carried out. In one example, it is checked whether red pixels, which are not expected, are absent, green pixels, which are expected, are present and blue pixels, which are expected, are also present. If it is determined that only red pixels can be found, the blue pixels are missing, a faulty mapping of the surface profile has been found and appropriate measures are initiated. Such tests can be carried out for pixels or also for surface areas. With a grid evaluation, color areas can be positively or negatively strengthened or neutralized. As a result, areas can emerge, especially with high resolutions, which in turn can be analyzed for the number of pixels.
  • an edge detection of outer contours can also take place.
  • outer contours can be converted into so-called standard geometries, for example.
  • standard geometries can include lines, arcs or splines.
  • splines represent functions which are piecewise composed of polynomials of at most the nth degree.
  • These standard geometries found or detected in the generated images can then be compared with the target images, which also contain standard geometries. Among other things, positions, straightness, angles and others can also be evaluated.
  • a region can be recognized or region selected, in which partial regions of the generated image are selected for analysis. In this way, partial areas can be selected for detecting errors and/or irregularities.
  • methods for image processing known from the prior art can also be used, such as those described above.
  • Fig. 1 an exemplary first recording of a surface profile of a construction field in a 3D printer
  • Fig. 2 a recording of a surface profile of a construction field with a first defect
  • Fig. 3 a recording of a surface profile of a construction field with a second defect
  • Fig. 4 a recording of a surface profile of a building site with a third defect
  • Fig. 5 a recording of a surface profile of a building site with a fourth defect
  • Fig. 6 a recording of a surface profile of a building site with a fifth defect
  • Fig. 7 a recording of a Surface profile of a building site with a sixth defect
  • Fig. 1 an exemplary first recording of a surface profile of a construction field in a 3D printer
  • Fig. 2 a recording of a surface profile of a construction field with a first defect
  • Fig. 3 a recording of a surface profile of a construction field with a second defect
  • Fig. 4 a recording of
  • Fig. 8 a recording of a surface profile of a building site with a seventh defect
  • Fig. 9 a recording of a surface profile of a building site with an eighth defect
  • Fig. 10 a recording of a surface profile of a building site with a ninth mistake
  • 11 a recording of a surface profile of a building site with a tenth error
  • Fig. 13 a basic course of the method for monitoring a
  • FIG. 1 shows an exemplary first recording of a surface profile 1 of a construction site in a 3D printer.
  • This first recording of a surface profile 1 in FIG. 1 depicts a flawless application of the particulate building material 2 and the binder for the configuration of the 3D partial structures 3 .
  • the method according to the invention for monitoring a surface profile 1 in a 3D printer produces such a recording of the surface profile 1 by means of the scanning arrangement, a properly applied layer of the particulate building material 2 is recognized according to the method by means of an image comparison and also a proper application of the binding agent for the configuration of the 3D substructures 3 detected. In such a case, the generation of the 3D structure in the 3D printer is continued without being affected by the method.
  • FIG. 2 shows a recording of a surface profile 1 of a construction site with a first error.
  • This recording of the surface profile 1 produced by means of a scanning arrangement (not shown) was also produced in a state in which the particulate building material 2 applied to the construction site was, for example, imprinted with a binding agent by Speaking print heads, not shown, forms selectively solidified areas which represent the 3D partial structure arranged in the current layer of a 3D structure to be produced in the 3D printer.
  • This statement regarding the recording of the surface profile 1 also applies to the following figures and is therefore not repeated.
  • a blurred error area 4 is shown in each of the areas of the 3D partial structures 3 .
  • This blurry error area 4 can extend partially or, as shown in FIG. 2, completely around the 3D partial structures 3.
  • an error in the controlling mechanics of the 3D printer or blade wear can lead to such an error pattern.
  • these blurred error areas 4 can be caused by an incorrect consistency of the binding agent or an incorrect binding agent or an incorrect dosage of the binding agent in the blurred error areas 4 .
  • the generation of the 3D structure in the 3D printer is either influenced according to the method by automatically switching to an alternative binding agent or the generation of the 3D structure is stopped and a corresponding error message is output.
  • FIG. 3 shows a recording of a surface profile 1 of a construction field with a print area error 5.
  • a 3D partial structure 3 is completely missing.
  • Such a print area error 5 is caused by a caused by intermittent or sustained failure of a segment of a printhead or by intermittent or sustained failure of an entire printhead.
  • Such print heads usually consist of several areas or segments.
  • the area for the required 3D partial structure 3 is not properly selectively solidified in this layer.
  • This area is identified in FIG. 3 by a frame represented by a dash-dash line.
  • the production of the 3D structure in the 3D printer is influenced according to the method in such a way that the printing process is interrupted and a corresponding print head is cleaned or by a corresponding error message being output.
  • FIG. 4 shows a recording of a surface profile 1 of a construction site with a third defect.
  • Such an error pattern of a print area error 5 is caused by a failure of an area or segment of a print head or a failure of an entire print head of several print heads arranged in a group or by a defective or dirty blade. It is assumed here that the direction of movement of the working means and the scanning arrangement according to FIG. 4 is aligned horizontally, which is intended to be represented by the double arrow.
  • the generation of the 3D structure in the 3D printer is influenced according to the method in such a way that the printing process is interrupted and a corresponding print head is cleaned or a corresponding error message is output. If the print area error 5 is caused by a defective or dirty blade, this error will be displayed. In the event that the technology of the 3D printer supports this, a blade could also be changed automatically or to one another module, for example a replacement module of a redundant system with an intact blade.
  • FIG. 5 shows a recording of a surface profile 1 of a building site with a fourth defect.
  • the scaling error 6 shown occurs at least within the areas shown by a dash-dash line and leads to a compression of the 3D partial structure 3 in the direction of movement of the working means of the 3D printer, which is indicated by the double arrow.
  • there may be a fault in the displacement measurement system which determines the position of the work equipment, such as a print head, over the construction area of the 3D printer.
  • the production of the 3D structure in the 3D printer is influenced according to the method in such a way that the printing process is interrupted, for example, and a corresponding error message is output.
  • the resolution can be set to the correct value under software control or the position measuring system can be recalibrated.
  • FIG. 6 shows a recording of a surface profile 1 of a building site with a fifth error.
  • Such an alignment error 7 is caused by an incorrect alignment of one or more print heads of the 3D printer.
  • the alignment error 7 is shown within the areas shown by a dash-dash line.
  • the alignment error 7 leads to an angle deviating from 90 degrees between the imaginary longitudinal axis of the 3D partial structures 3 represented by a dash-dot line and the direction of movement of the working means of the 3D printer represented by a double arrow.
  • the production of the 3D structure in the 3D printer is influenced according to the method in such a way that the affected print heads are automatically adjusted in order to reduce or eliminate the error.
  • the printing process is stopped and a corresponding error message is output.
  • FIG. 7 shows a recording of a surface profile 1 of a building site with a sixth defect.
  • An error in the form of a defect 8 is shown, which has been caused by the failure of one or more nozzles, for example in a print head or in a region of a print head.
  • a nozzle of a print head fails, no binder is applied to the particulate building material 2 at the location of the failed nozzle, as a result of which there is no selective solidification in this region, which is strip-shaped in FIG.
  • Such a strip-shaped area extends parallel to the direction of movement of the working means of the 3D printer, which is represented by a double arrow.
  • the defect 8 can be seen within the area represented by a dash-dash line.
  • the generation of the 3D structure in the 3D printer is influenced according to the method in such a way that the affected print head is automatically cleaned in order to reduce or eliminate the error.
  • FIG. 8 shows a recording of a surface profile 1 of a building site with a seventh error.
  • Impurity 9 can be seen, such as a foreign body, which has accidentally landed on the surface of particulate building material 2 on the construction site.
  • This foreign body is moved over the surface of the particulate building material 2 by a working means of the 3D printer, for example, and causes a ditch within the area represented by a dash-dash line. This trench is thus created in the direction of movement of the working equipment of the 3D printer, which is shown by means of a double arrow.
  • FIG. 9 shows a recording of a surface profile 1 of a building site with an eighth defect.
  • a furrow 10 can be seen within the area represented by a dash-dash line in FIG. 9, which is caused by a local blockage in a working medium of the 3D printer such as an applicator or recoater. Due to this local blockage, no particulate building material 2 is applied to the building site at this point. Due to the movement of the working means in the direction of movement represented by a double arrow, the furrow 10 also extends in this direction.
  • the furrow 10 is shown in Figure 9 within the area shown by a dash-dash line.
  • the production of the 3D structure in the 3D printer is influenced according to the method in such a way that the production of the 3D structure is stopped in order to prevent errors from occurring when the 3D structure is produced by the furrow 10 .
  • An associated error message is issued.
  • FIG. 10 shows a recording of a surface profile 1 of a building site with a ninth defect.
  • the first faults 11 that can be seen in FIG. 10 are caused, for example, by contamination or faults in the mixture of the particulate building material 2 .
  • Such an accumulation such as an agglomerate, for example solidified, forms a defect 11, impairs the creation of a 3D structure and leads to defects within the 3D structure to be created.
  • the first flaws 11 are shown in FIG. 9 within the areas represented by a dash-dash line.
  • the production of the 3D structure in the 3D printer is influenced according to the method in such a way that the production of the 3D structure is stopped in order to prevent errors in the production of the 3D structure from first defect locations 11 occurring. An associated error message is issued.
  • FIG. 11 shows a recording of a surface profile 1 of a construction site with a tenth error.
  • a second fault location 12 is shown within the area shown by means of a dash-dash line in FIG. This second defect 11 extends along an outer area of the large 3D partial structure 3.
  • the second defect 12 is caused, for example, by an excessively high movement speed of a working medium of the 3D printer, such as a print head, which moves in the direction shown by the arrow .
  • the second fault location 12 can be caused by nozzles not closing properly or in good time in one area of a print head, in one print head or in a plurality of print heads.
  • No proper or sharp-edged transition between the 3D partial structure 3 and the particulate building material 2 is formed in the area of the second fault location 12 .
  • these second fault points 12 can be so strongly offset from one another that the 3D structure to be produced is no longer stable in this area.
  • the generation of the 3D structure in the 3D printer is influenced according to the method in such a way that the generation of the 3D structure is continued at a lower speed in order to prevent errors in the generation of the 3D structure by the second Error point 12 occurs ten.
  • the generation of the 3D structure can be interrupted and an associated error message can be output.
  • FIG. 12 shows a recording of a surface profile 1 of a construction site with an eleventh error.
  • the recording or the scanning of the surface profile 1 has taken place after a particulate building material 2 has been applied in a new layer.
  • 3D partial structures are only formed in this layer at a later point in time.
  • Figure 12 shows a large photograph of a surface profile 1 and in the right-hand part of Figure 12 an enlargement of an area of the surface of the surface profile 1 enclosed by the dash-dash line.
  • Structural defects 12 within the particulate building material 2 can be seen in this enlargement. Structural defects 12 of this type can occur as a result of separation of the particulate building material 2 .
  • a wrong color tone of the surface structure 1 can also be recognized as a defect.
  • the color of the particulate Bauma material 2 to be applied is usually known. This depends on the substances contained in the particulate building material 2 . For example, based on the color or the hue of the surface structure 1, a mixing ratio can be inferred.
  • the creation of the 3D structure in the 3D printer is influenced according to the method in such a way that the creation of the 3D structure is stopped in order to prevent errors in the creation of the 3D structure from an incorrect or faulty particulate building material 2 appear. An associated error message is issued.
  • Parameters when applying the particulate building material 2 are, for example, a gap size at the outlet of an applicator of the particulate building material 2 or at the recoater, the amount of particulate building material 2 to be applied in a unit of time, an adjustment angle of a tool such as a blade, for example to the perpendicular or to the upper area of the construction field, an initial position at which the application of the particulate construction material 2 begins, or a density of the particulate construction material 2 to be applied and solidified.
  • FIG. 13 shows a basic course of the method for monitoring a surface profile 1 in a 3D printer.
  • step 14 the image of the surface profile 1 is generated in the 3D printer, with this image showing the current surface of the top layer on the construction field.
  • This layer can, for example, have just been newly created by applying the particulate building material 2 .
  • selective hardening can already have taken place in this uppermost layer in predetermined partial areas by imprinting a binding agent.
  • step 16 the corresponding image of the surface profile 1 is analyzed.
  • This analysis can be carried out, for example, by means of an image comparison, with a target image being stored or generated and stored as a reference image of the expected images of the layers.
  • an image to be expected ie a target image
  • Such a target image can be generated for each layer or for different process steps within a layer.
  • an image comparison is made between the target image and the generated image of the surface profile 1.
  • Such an image comparison can also be made using values for a tolerance between the expected image and the generated image. This means that the smallest and tolerable errors and/or irregularities do not result in an error being displayed.
  • step 17 there is a check for the presence of detected errors and/or irregularities. If it is determined in step 17 that no error and/or no irregularity was determined, the method is continued in step 15 with a further generation of a subsequent image of the surface profile 1 .
  • the method is continued in step 18, for example with automated measures to eliminate or reduce errors and/or irregularities.
  • the error can also be output, for example optically or by means of an error label, and the generation of the 3D structure can be stopped.
  • Measures to eliminate or reduce errors and/or irregularities can be, for example: cleaning a print head or cleaning an area of a print head, adjusting a print head, selecting an alternative binding agent, automatically changing a working medium of the 3D printer, an automated Cleaning one or more tools of the 3D printer, an adjustment of one or more tools of the 3D printer, a change in resolution when printing a binding agent, a change in the speed of a tool of the 3D printer, • a change in the parameters of particulate matter deposition.
  • step 19 After measures to eliminate or reduce errors and/or irregularities have been carried out in step 18, it is checked in step 19 whether the measures taken were successful. If the error and/or the irregularity is eliminated by the measure taken or reduced in such a way that the tolerance range was reached, the method is continued in step 15 with a further generation of a subsequent image of the surface profile 1 .
  • the method is continued in step 20 with a status output. Since the error and/or the irregularity could not be eliminated automatically, the creation of the 3D structure is stopped. In addition, for example, the status or error status is displayed optically or by means of an error label or output in the form of data.
  • the method for monitoring a surface profile 1 in a 3D printer then ends in step 21.

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Abstract

Der Erfindung, welche ein Verfahren zur Überwachung eines Oberflächenprofils in einem 3D-Drucker betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, womit eine einfache, schnelle und sichere Erfassung des Oberflächenprofils einer Schicht eines partikelförmigen Baumaterials auf einem Baufeld oder von 3D-Teilstrukturen innerhalb einer Schicht eines partikelförmigen Baumaterials auf dem Baufeld zur Überwachung der Qualität der Erzeugung einer 3D-Struktur erfolgt, wobei der technische Aufwand und die Kosten reduziert werden. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine optische Analyse der erzeugten Abbildung des Oberflächenprofils (1) durchgeführt wird und dass bei dieser Analyse eine ordnungsgemäße oder eine fehlerhafte Erzeugung von 3D-Teilstrukturen und/oder eine ordnungsgemäße oder eine fehlerhaft erzeugte Struktur des schichtweise aufgebrachten partikelförmigen Baumaterials (2) ermittelt wird.

Description

Verfahren zur Überwachung eines Oberflächenprofils in einem 3D-Drucker
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Oberflächenprofils in einem 3D-Drucker, bei welchem eine Abbildung des Oberflächenprofils auf einem Baufeld eines 3D-Druckers erzeugt und ausgewertet wird.
Insbesondere soll eine Überwachung eines Oberflächenprofils auf einem Baufeld erfolgen, wobei jede einzelne aufgetragene Schicht eines partikelförmigen Baumaterials wie auch Teile einer Schicht überwacht werden. Bei einer derartigen Überwachung werden insbesondere Unregelmäßigkeiten beim Aufträgen des par tikelförmigen Baumaterials oder einer Erzeugung einer 3D-Teilstruktur überwacht. Hierbei werden Fehler beim Aufbau einer Schicht eines partikelförmigen Baumaterials sowie Fehler beim Aufbau einer 3D-Teilstruktur erkannt.
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 dreidimen sionale 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 chemische 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, beispiels weise 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.
Ebenso sind verschiedene Verfahren zur optischen Überwachung eines Oberflächenprofils in einem 3D-Drucker bekannt.
Aus der DE 102017202088 A1 ist ein Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Herstellen eines Werkstücks bekannt. Außerdem sind ein Computerprogrammprodukt, welches zur automatischen Umsetzung des Verfahrens geeignet ist, sowie ein computerlesbarer Datenträger mit einem solchen Computerprogrammprodukt und eine Maschine offenbart. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum pulverbettbasierten additiven Herstellen von Bauteilen anzugeben, bei dem eine messtechnische Erfassung der Oberfläche der hergestellten Werkstücklage für eine Korrektur des Herstellungsergebnisses eingesetzt werden kann. Außerdem soll ein Computerprogrammprodukt angegeben werden, welches ein solches Verfahren steuern kann.
Zur Lösung ist es vorgesehen, dass von einem Rechner ein Oberflächenprofil der messtechnisch erfassten Topographie erzeugt wird. Außerdem wird von dem Rechner für zulässige Höhendifferenzen zwischen dem Oberflächenprofil der be treffenden Werkstücklage und der Solloberfläche oder für die zulässige Höhendifferenz zwischen dem höchsten Areal und dem tiefsten Areal des gemessenen Oberflächenprofils der betreffenden Werkstücklage ein Toleranzbereich berücksichtigt. In dem Fall, dass eine für das Oberflächenprofil ermittelte Höhendifferenz außerhalb des Toleranzbereiches liegt, veranlasst der Rechner die Steuereinrich tung, dass eine zusätzliche Pulverlage auf das Pulverbett aufgetragen wird und in den tieferen Bereichen der betreffenden Werkstücklage eine lokale Zwischenlage verfestigt wird, mit der die vorliegenden Höhendifferenzen verringert werden.
Um dies zu erreichen ist eine messtechnische Erfassung des Oberflächenprofils mit einer Messeinrichtung mittels einer optischen Triangulationssensorik vorgese hen.
Eine derartige messtechnische Erfassung ist technisch aufwendig und bedarf einer kostenintensiven Technik zur Triangulation. Außerdem kann es zu messtechnischen Ungenauigkeiten kommen, da beispielsweise Verzerrungen oder Unschärfen bei der Auswertung der Sensorsignale auf treten können.
Somit besteht ein Bedarf nach einer Verbesserung des bekannten Stands der Technik und somit an einem verbesserten Verfahren zur Überwachung eines Oberflächenprofils in einem 3D-Drucker.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Überwachung eines Oberflächenprofils in einem 3D-Drucker anzugeben, womit eine einfache, schnelle und sichere Erfassung des Oberflächenprofils einer Schicht eines partikelförmi gen Baumaterials auf einem Baufeld oder von 3D-Teilstrukturen innerhalb einer Schicht eines partikelförmigen Baumaterials auf dem Baufeld zur Überwachung der Qualität der Erzeugung einer 3D-Struktur erfolgt, wobei der technische Aufwand und die Kosten reduziert werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgesehen ist es, dass eine Anordnung, welche nachfolgend als eine Scan anordnung bezeichnet wird, mit einer Anzahl von Optiken beziehungsweise optischen Sensoren über dem Baufeld eines 3D-Druckers beziehungsweise einer 3D- Druckmaschine angeordnet wird.
Hierbei sind die optischen Sensoren in der Scananordnung in einer Reihe beziehungsweise Linie nebeneinander angeordnet, wobei sich die Scananordnung mit ihrer Längserstreckung über die gesamte Breite des Baufelds des 3D-Druckers erstreckt.
Vorgesehen ist es, dass sich diese Scananordnung über das Baufeld eines 3D- Druckers bewegt, wobei der Abstand zwischen den optischen Sensoren und der Oberfläche des Baufelds, beispielsweise in einem Abstand zwischen 0,5 mm und
2 mm, insbesondere in einem Abstand von 1 mm, konstant gehalten wird und bei dieser Bewegung über dem Baufeld konstant bleibt.
Auch bei dieser Bewegung wird die Scananordnung in einem Winkel von 90 Grad zur Bewegungsrichtung über das Baufeld ausgerichtet. Diese Bewegungsrichtung der Scananordnung entspricht der Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel des 3D- Druckers über dem Baufeld. Derartige Arbeitsmittel können beispielsweise ein Abstreifelement wie ein Rakel, eine Klinge oder eine Schwingklinge sein.
Vorgesehen ist es auch, dass bei dieser Bewegung der Scananordnung über dem Baufeld mittels der in einer Linie angeordneten optischen Sensoren Abbildungen beziehungsweise Aufnahmen der Oberfläche des Baufelds erzeugt beziehungs weise aufgenommen werden. Derart wird eine Abbildung des Oberflächenprofils auf dem Baufeld erzeugt. Die Frequenz dieses Scans der Oberfläche des Bau- felds mitels der optischen Sensoren liegt bei bis zu 30 kHz. Bei einer entsprechend gewählten Geschwindigkeit der Bewegung der Scananordnung im Bereich zwischen 1 mm/s und 3000 mm/s sind Abbildungen des Oberflächenprofils bis zu einer Genauigkeit beziehungsweise Auflösung von 10000 dpi möglich.
Bei einem Scann mittels dieser Scananordnung wird eine aus mehreren Pixeln bestehende Zeile als eine optische Teilabbildung der Oberfläche des Baufelds erzeugt. Mitels der Bewegung der Scananordnung über der Oberfläche des Baufelds und einem kontinuierlichen Wiederholen dieses Scans werden zeitlich nach folgend zeilenweise Teilabbildungen des Oberflächenprofils des Baufelds erzeugt. Diese Teilabbildungen werden Zeile für Zeile mitels einer entsprechenden Verar- beitssoftware, welche in einer zum 3D-Scanner zugehörigen Verarbeitungseinheit abgearbeitet wird, zu einer Gesamtabbildung der Oberfläche beziehungsweise des Oberflächenprofils des Baufelds, hier als Abbildung bezeichnet, zusammengesetzt. Somit entsteht ein vollständiges Bild des Oberflächenprofils mit einer hohen Auflösung, die Abbildung des Oberflächenprofils. Eine derartige Auflösung liegt beispielsweise im Bereich von 150 dpi bis zu 1200 dpi, was einer Anzahl von 1200 optischen Sensoren in einer Zeile einer Scananordnung mit einer Länge von 25,4 mm entspricht.
Durch eine aufeinander abgestimmte Frequenz für das Scannen mittels der Scananordnung und einer entsprechenden Geschwindigkeit für die Bewegung der Scananordnung über die Oberfläche des Baufelds werden Abbildungen der Oberfläche beziehungsweise des Oberflächenprofils mit einer sehr hohen Auflösung und Genauigkeit erzeugt. So wird mitels einer höheren Frequenz beim Scannen beziehungsweise einer höheren Aufnahmefrequenz eine höhere Auflösung der zu erzeugenden Abbildung in der Bewegungsrichtung der Scananordnung erreicht. Da sich die Anzahl der in der Scananordnung in einer Linie angeordneten optischen Sensoren von beispielsweise 1200 Sensoren auf eine Länge von 25,4 mm nicht verändert, ist die Auflösung in Richtung der Linie der Scananordnung unab hängig von der Geschwindigkeit der Scananordnung in der Bewegungsrichtung. Diese Auflösung wird nur durch die fest installierte Anzahl von optischen Sensoren in Linie bestimmt. Die optischen Sensoren weisen beispielsweise einen sogenannten Fokusbereich auf, welcher bei 1 mm liegen kann. Dies bedeutet, dass die entstehenden Abbildungen der Oberfläche des Baufelds beziehungsweise die entstehenden Scans eine hohe Genauigkeit aufweisen, wenn der Abstand zwischen den optischen Sensoren und der Oberfläche des Baufelds genau 1 mm beträgt. Da dieser Abstand von 1 mm zur Oberfläche bei der Bewegung der Scananordnung über die Oberfläche des Baufelds konstant gehalten wird, entstehen qualitativ hochwertige Abbildungen, ohne dass eine Anpassung oder Verarbeitung der Daten der optischen Sensoren notwendig ist.
Bei den mit der Scananordnung durchgeführten Scans sind die optischen Sensoren lotsenkrecht zum Baufeld und auch zur Oberfläche des Baufelds, welche durch ein aufgetragenes partikelförmiges Baumaterial ausgebildet werden kann, ausgerichtet. Die Abbildungen beziehungsweise Scans erfolgen orthografisch. Somit sind keine Maßnahmen wie eine optische Entzerrung notwendig, um eine Abbildung der Oberfläche des Baufelds zu erzeugen.
Vorgesehen ist es, dass die Ausrichtung beziehungsweise Position der Scananordnung über die Oberfläche des Baufelds kalibriert wird. Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, eine Vorlage beispielsweise mit einer Abbildung eines Schachbretts und einer Auflösung von 3600 dpi mal 3600 dpi zu nutzen, über welche die Scananordnung beispielsweise in einem Abstand von 1 mm bewegt wird.
Bei der Bewegung der Scananordnung über die die Oberfläche des Baufelds zu Kalibrierungszwecken ausbildende Vorlage wird es durch das beispielhafte Schachbrettmuster möglich zu erkennen, ob die Scananordnung genau in einem Winkel von 90 Grad zur Bewegungsrichtung über dem Baufeld ausgerichtet ist. Treten bei dieser Kalibrierung Abweichungen auf, welche eine bestimmte Toleranzgrenze überschreiten, so besteht die Möglichkeit, die Scananordnung mechanisch nachzujustieren, um die Abweichung zu beseitigen. Alternativ kann die ermittelte Abweichung gespeichert werden. In diesem Fall wird die von der Scananordnung erzeugte Abbildung der Oberfläche des Baufelds beziehungsweise eines Oberflächenprofils unter Nutzung der gespeicherten Abweichung rechentechnisch korrigiert.
Vorgesehen ist es auch, dass die Scananordnung zu verschiedenen Phasen der Erzeugung einer 3D-Struktur auf dem Baufeld zum Einsatz kommt.
So erzeugt die Scananordnung eine Abbildung der Oberfläche des Baufelds beziehungsweise das Oberflächenprofil ohne auf das Baufeld aufgetragenes partikelförmiges Baumaterial.
Insbesondere erzeugt die Scananordnung eine Abbildung der Oberfläche des Baufelds beziehungsweise das Oberflächenprofil, nachdem partikelförmiges Baumaterial auf das Baufeld aufgetragen wurde. Hierbei kann der Auftrag des partikelförmigen Baumaterials auf das Baufeld teilweise oder vollständig erfolgen.
Alternativ erzeugt die Scananordnung eine Abbildung der Oberfläche des Baufelds beziehungsweise das Oberflächenprofil, nachdem das auf das Baufeld aufgetragene partikelförmige Baumaterial selektiv verfestigt wurde, was beispiels weise durch ein Aufdrucken eines Bindemittels erfolgen kann. Derartige Bindemit tel können beispielsweise organische oder anorganische flüssige Kleber sein, welche beispielsweise mittels eines Druckkopfes aufgebracht werden können.
Abbildungen des jeweiligen Oberflächenprofils des Baufelds als zweidimensionale Bilder (2D-Bilder) können beispielsweise in den Zuständen vor beziehungsweise nach dem Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials oder vor beziehungsweise nach einem selektiven Verfestigen des partikelförmigen Baumaterials erzeugt werden.
Eine Erzeugung der beschriebenen Abbildungen erfolgt bevorzugt mittels der hier beschriebenen Scananordnung, ist aber nicht auf diese beschränkt. So kann bei spielsweise auch eine Weitwinkelkamera zur hochauflösenden Aufnahme des gesamten Baufelds zum Einsatz kommen, wobei diese Aufnahmen nachfolgend entzerrt werden müssen. Nachteile bestehen darin, dass ein längerer Verfahrweg nötig ist, um das komplette Baufeld aufzunehmen. Außerdem müssen die Arbeitsmittel zur Erzeugung der Abbildungen jeweils zur Seite gefahren werden.
Alternativ können mehrere Kameras, möglicherweise mit speziellen Objektiven, über die Aufnahmebreite und versetzt in Fahrtrichtung angeordnet werden, wenn das durch den limitierten Bauraum für jede Kamera notwendig ist. Mittels dieser Variante können Aufnahmen in Form von Einzelbildern oder Videos erzeugt und beispielsweise entzerrt und zusammengesetzt werden.
Weiter alternativ können ein oder mehrere 3D-Linienlaser mit Graustufenaufnahme zum Einsatz kommen. Werden mehrere dieser 3D-Linienlaser eingesetzt, verbessert sich die Genauigkeit der zu erzeugenden Abbildung.
Außerdem können auch mehrere Scananordnungen mit in einer Linie angeordneten optischen Sensoren angeordnet werden, um die gesamte Breite des Baufelds abzudecken.
Diese Scananordnungen können auch in Fahrtrichtung versetzt zueinander ange ordnet werden.
Vorgesehen ist es, die beispielsweise mit einer Scananordnung erzeugten Abbil dungen beziehungsweise 2D-Bilder auszuwerten beziehungsweise zu analysie ren, um Fehler in den jeweiligen Phasen der Erzeugung einer 3D-Struktur auf dem Baufeld zu erkennen. Eine derartige Auswertung kann beispielsweise durch eine Sichtung der 2D-Bilder durch einen erfahrenen Bediener erfolgen.
Wesentlich schneller und effektiver ist aber eine Analyse oder ein Bildvergleich, gesteuert mittels einer entsprechenden Software. So können bei einer derartigen Analyse neben Fehlern bei der Erzeugung der 3D-Struktur auf dem Baufeld beispielsweise auch Unregelmäßigkeiten des Oberflächenprofils erkannt werden. Derartige Unregelmäßigkeiten deuten beispielsweise auf Stellen hin, an denen zu viel oder zu wenig partikelförmiges Baumaterial aufgetragen wurde. Derartige Unregelmäßigkeiten deuten beispielsweise auch auf Stellen hin, an denen sich Fremdkörper auf der Oberfläche befinden. Alternativ deuten derartige Unregel- mäßigkeiten beispielsweise auf eine Veränderung der Zusammensetzung des partikelförmigen Baumaterials hin.
Unregelmäßigkeiten können auch auftreten, wenn beispielsweise ein defekter Rakel, eine defekte Klinge oder eine defekte Schwingklinge beim Abziehen be- ziehungsweise Glätten der Oberfläche des partikelförmigen Baumaterials Vertie fungen wie einen Graben oder Erhöhungen verursacht.
Weiterhin zeigen beispielsweise Unregelmäßigkeiten eines nach einem selektiven Verfestigen mittels Drückens eines Bindemittels aufgenommenen Oberflächenprofils Defekte an Düsen eines Druckkopfes, einen defekten Druckkopf oder eine fehlerhafte Ausrichtung eines derartigen Druckkopfes. Hierbei ist es bekannt, dass 3D-Drucker der erfindungsgemäßen Art meist über mehrere in einer Gruppe angeordnete Druckköpfe verfügen, welche exakt zueinander ausgerichtet angeordnet werden.
Darüber hinaus können weiter Fehler bei der Erzeugung einer 3D-Struktur durch die Analyse des aufgenommenen Oberflächenprofils abgeleitet werden.
Werden bei einer derartigen Analyse der erzeugten Abbildung Fehler und/oder Ungenauigkeiten festgestellt, werden Maßnahmen beziehungsweise Gegenmaßnahmen eingeleitet, um die Fehler und/oder Ungenauigkeiten zu reduzieren beziehungsweise zu beseitigen. Werden bei einer derartigen Analyse der erzeugten Abbildung keine Fehler und/oder Ungenauigkeiten festgestellt, wird die Erzeugung der 3D-Struktur planmäßig fortgesetzt.
Beispielsweise kann zur Kontrolle der ordnungsgemäßen Erzeugung einer 3D- Struktur ein Bildvergleich genutzt werden. Aus Daten für die zu erzeugende 3D- Struktur, welche im 3D-Drucker für jede zu erzeugende Schicht vorliegen, ist es möglich, eine zu erwartende Abbildung, also eine Soll-Abbildung, zu generieren beziehungsweise zu erzeugen. Eine derartige Soll-Abbildung kann pro Schicht erzeugt werden. Eine derartige Soll-Abbildung kann auch für verschiede Verfahrensschritte innerhalb einer Schicht erzeugt werden. Derartige Verfahrensschritte sind beispielsweise ein Aufträgen eines partikelförmigen Materials, ein Verdichten des partikelförmigen Materials, ein selektives Verfestigen des partikelförmigen Materials, beispielsweise mittels eines Bindemittels, und andere. So kann ein Vergleich dieser Soll-Abbildung mit dem aufgenommenen Oberflächenprofil, also der erzeugten Abbildung, durchgeführt und Fehler und/oder Ungenauigkeiten erkannt werden.
Vorgesehen ist es auch, dass die für jede zu erzeugende Schicht erzeugte Soll- Abbildung beziehungsweise die für verschiede Verfahrensschritte innerhalb einer Schicht erzeugten Soll-Abbildungen abgespeichert werden. Für den Fall, dass mehrfach eine gleiche 3D-Struktur im 3D-Drucker erzeugt werden soll, ist es möglich, auf die abgespeicherten Soll-Abbildungen zurückzugreifen.
Für den Fall, dass derartige Fehler und/oder Ungenauigkeiten eine vorgegebene Toleranz überschreiten, ist die Erzeugung der 3D-Struktur fehlerhaft. Somit können beispielsweise Fehler an Druckköpfen, Laser, Extruder, Aufträger, Klinge, Rakel und anderen Elementen eines 3D-Druckers erkannt werden.
Bei einem 3D-Drucker nach dem Inkjet-Verfahren können beispielsweise Fehler bei der Ausrichtung eines oder mehrerer Druckköpfe in der X-Richtung und/oder in der Y-Richtung erkannt werden. Ebenso können Fehler durch verstopfte Düsen, Verunreinigungen, Defekte an Düsenplatten und andere mehr erkannt werden.
Werden derartige Fehler und/oder Unregelmäßigkeiten durch das Verfahren erkannt, kann allgemein eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben und derart ein Defekt beispielsweise mittels einer entsprechenden Aufschrift konkret darge stellt werden.
Darüber hinaus ist es vorgesehen, beim Erkennen eines Fehlers und/oder einer Unregelmäßigkeit direkte Gegenmaßnahmen, beispielsweise softwaregesteuert, zu ergreifen.
So kann beispielsweise beim Erkennen einer oder mehrerer verstopfter Düsen oder beim Erkennen einer Verschlechterung der ausgetragenen Menge eines Bindemittels einer oder mehrerer Düsen ein gezielter Reinigungsvorgang eingeleitet werden, bevor die nächste Schicht der zu erzeugenden 3D-Struktur erzeugt wird.
Wird beispielsweise bei einem Erkennen einer oder mehrerer verstopfter Düsen mittels einer Reinigung keine Verbesserung des Druckbilds erreicht, kann derart auf einen Ausfall der ansteuernden Elektronik geschlossen werden. In diesem Fall kann beispielsweise eine Prüfroutine eingeleitet und ein Fehler in der Elektronik analysiert werden.
Wird beispielsweise eine fehlerhafte Ausrichtung eines Druckkopfes festgestellt, besteht bei einem Vorhandensein entsprechender fernbedienbarer Justagemittel an dem Druckkopf die Möglichkeit, diesen in der X-Richtung und/oder in der Y- Richtung nachzujustieren und derart die fehlerhafte Ausrichtung zu vermindern oder zu beseitigen.
Für den Fall, dass derartige Justagemittel an einem Druckkopf nicht vorhanden sind, besteht die Möglichkeit einer softwaremäßigen Korrektur der Ausrichtung, beispielsweise indem die Düsen eines Druckkopfes, welche in einem Winkel von 90 Grad zur Bewegungsrichtung über dem Baufeld ausgerichtet sein sollen und im Normalbetrieb zeitgleich angesteuert werden, zu unterschiedlichen Zeiten an gesteuert werden, um derart die fehlerhafte Ausrichtung zu vermindern oder zu beseitigen.
Darüber hinaus ist es auch vorgesehen, beim Erkennen eines Fehlers und/oder einer Unregelmäßigkeit je nach Fehlerbild Baugruppen wie einen Aufträger des partikelförmigen Baumaterials (Recoater), einen Laser, einen Extruder, eine Klinge, einen Rakel und anderen Elementen eines 3D-Druckers in ihrer Funktionsweise oder in ihrer Position oder Ausrichtung mittels einer entsprechenden Software und entsprechenden Justagemitteln derart zu beeinflussen, dass die verur sachten Fehler und/oder Unregelmäßigkeiten vermindert oder beseitigt werden.
Vorgesehen ist es erfindungsgemäß, dass durch einen Scann des Oberflächenprofils des Baufelds zu verschiedenen Phasen der Erzeugung eines 3D-Modells Rückschlüsse auf den jeweiligen Zustand verschiedener Baugruppen des 3D- Druckers gezogen werden, ohne diese Baugruppen mit geeigneten Sensoren zu überwachen.
Vorgesehen ist es erfindungsgemäß auch, dass beim Erkennen von Fehlern und/oder Unregelmäßigkeiten an diesen Baugruppen eine manuelle oder softwaregesteuerte Korrektur mit dem Ziel erfolgt, dass der Fehler und/oder die Un regelmäßigkeit verringert oder beseitigt wird.
Zum Zweck des Erkennens von Fehlern und/oder Unregelmäßigkeiten an Baugruppen ist es weiterhin vorgesehen, dass entsprechende Fehlerbilder abgespeichert werden. Derart kann das gescannte Oberflächenprofil beziehungsweise die vom Oberflächenprofil erzeugte Abbildung auch mit hinterlegten Fehlerbildern verglichen werden und derart die Art des Fehlers oder Defekts einer Baugruppe ermittelt werden.
Derartige Fehlerbilder können auch nur Teilbereiche des gesamten Oberflächen profils abbilden und vergleichbare Muster für Fehler, wie Streifen, Vertiefungen, Löcher und andere Fehler einer Oberfläche des partikelförmigen Materials, darstellen. Wird bei einem Bildvergleich der erzeugten Abbildung des Oberflächenprofils eine Übereinstimmung mit diesen Fehlerbildern von Teilbereichen mit einer bestimmten prozentualen Übereinstimmung festgestellt, so wird derart auf einen entsprechenden Fehler geschlossen. Über den derart ermittelten Fehler kann dann auf eine oder möglicherweise mehrere defekte Baugruppen geschlossen werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung eines Oberflächenprofils in einem 3D-Drucker liegt in der Genauigkeit des Scans des Oberflächenprofils, also der erzeugten Abbildung, wobei ein derartiger Scan beispielsweise mit einer Auflösung von 1200 dpi mal 1200 dpi erfolgt. Derart können Fehler und/oder Unregelmäßigkeiten erkannt werden, welche anderenfalls nur mit einem Mikroskop festgestellt werden können.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Erzeugung der Abbildung des Oberflächenprofils ohne einen zusätzlich notwendigen Zeitaufwand erfolgen kann. Somit wird die Zeit für die Erzeugung einer 3D-Struktur beim Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht vergrößert. Dies ist dadurch möglich, dass die Scananordnung parallel zu den Arbeitsmitteln des 3D-Druckers angeordnet und bewegbar ist.
Somit kann die Scananordnung beispielsweise parallel zu einem Aufträger für das partikelförmige Baumaterial, in einem geringen Abstand zu diesem und mit einer beispielsweise gleichen Geschwindigkeit über dem Baufeld bewegt werden.
Vorgesehen ist es auch, dass durch eine Auswertung der Abbildung des Oberflächenprofils Informationen über die Anordnung der Partikel sowie die Dichte des partikelförmigen Baumaterials auf dem Baufeld erlangt werden.
Durch eine Bildbearbeitung des Scans der Abbildung des Oberflächenprofils bei spielsweise mittels einer Falschfarbendarstellung können beispielsweise Vertiefungen oder Erhebungen auf der Oberfläche des partikelförmigen Baumaterials auf dem Baufeld verstärkt und derart besser erkannt werden.
Vorgesehen ist es auch einen, Weißabgleich vorzunehmen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine weiße Vorlage auf dem Baufeld aufgelegt verwendet werden. Dann können mittels eines Scanvorgangs dieser Vorlage ein Weißabgleich durchgeführt und entsprechende Daten hierzu abgespeichert werden.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die optischen Sensoren der Scananordnung eine orthografische Aufnahme des Oberflächenprofils ermöglichen und dass somit keinen Maßnahmen zur Entzerrung der Aufnahme des Oberflächenprofils notwendig sind.
Ebenso ist es nicht notwendig, die Aufnahme beziehungsweise den Scan des Oberflächenprofils zu skalieren, wie es bei anderen optischen Aufnahmeverfahren beispielsweise mit einer Kamera, notwendig sein kann.
Vorgesehen ist es, dass zur Positionserkennung der aktuellen Stellung der Scananordnung über dem Baufeld sogenannte Referenzmarken am Rand des Baufelds angeordnet werden. Diese Referenzmarken werden von der entsprechend breit ausgeführten Scananordnung mitgescannt beziehungsweise erfasst, können somit ausgewertet werden und ermöglichen derart einen Rückschluss auf die aktuelle Position Scananordnung über dem Baufeld.
Im Zusammenhang mit dem Bildvergleich der erzeugten Abbildung mit der zu erwartenden Soll-Abbildung können verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Bildverarbeitung zum Einsatz kommen.
Beispielsweise kann mit einer Falschfarbendarstellung auf Pixelbasis gearbeitet werden. Hierbei kann beispielsweise eine Anzahl von Pixeln in farblichen Bereichen der erzeugten Abbildung ermittelt und ins Verhältnis zu der Sollanzahl an Pixeln gesetzt werden.
Alternativ kann eine Prüfung auf ein Vorhandensein von farblichen Komponenten erfolgen. In einem Beispiel wird geprüft, ob rote Pixel, welche nicht erwartet werden, nicht vorhanden sind, grüne Pixel, welche erwartet werden, vorhanden sind und blaue Pixel, welche erwartet werden, ebenfalls vorhanden sind. Wird festgestellt, dass nur rote Pixel aufgefunden werden können, fehlen die blauen Pixel, wobei eine fehlerhafte Abbildung des Oberflächenprofils gefunden wurde und ent sprechende Maßnahmen eingeleitet werden. Derartige Prüfungen können für Pixel oder auch für Flächenbereiche erfolgen. Mit einer Rasterauswertung können Farbbereiche positiv oder negativ verstärkt oder neutralisiert werden. Dadurch können, vor allem bei hohen Auflösungen, Bereiche hervortreten, die wiederum auf Pixelanzahl analysiert werden können.
Beispielsweise kann auch eine Kantenerkennung von Außenkonturen, beispiels weise einer 3D-Teilstruktur, erfolgen. Hierbei können derartige Außenkonturen beispielsweise in sogenannte Normgeometrien überführt werden. Zu derartigen Normgeometrien können Linien, Bögen oder Splines gehören. Hierbei stellen Splines Funktion dar, welche stückweise aus Polynomen höchstens n-ten Grades zusammengesetzt sind.
Diese in den erzeugten Abbildungen aufgefundenen beziehungsweise detektier- ten Normgeometrien können dann mit den Soll-Abbildungen, welche ebenfalls Normgeometrien beinhalten, verglichen werden. Dabei können unter anderem auch Positionen, Geradheit, Winkel und andere ausgewertet werden. Darüber hinaus kann bei der Analyse eine Bereichserkennung beziehungsweise Bereichsauswahl erfolgen, bei welcher Teilbereiche der erzeugten Abbildung zur Analyse ausgewählt werden. Somit können Teilbereiche zum Erkennen von Fehlern und/oder Unregelmäßigkeiten ausgewählt werden. Innerhalb derartiger Teilbereiche könne auch aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Bildverarbeitung zum Einsatz kommen, wie beispielsweise die oben Beschriebenen.
Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen:
Fig. 1: eine beispielhafte erste Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds in einem 3D-Drucker, Fig. 2: eine Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds mit einem ersten Fehler, Fig. 3: eine Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds mit einem zweiten Fehler, Fig. 4: eine Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds mit einem dritten Fehler, Fig. 5: eine Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds mit einem vierten Fehler, Fig. 6: eine Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds mit einem fünften Fehler, Fig. 7: eine Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds mit einem sechsten Fehler, Fig. 8: eine Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds mit einem siebenten Fehler, Fig. 9: eine Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds mit einem achten Fehler, Fig. 10: eine Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds mit einem neunten Fehler, Fig. 11: eine Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds mit einem zehnten Fehler,
Fig. 12: eine Aufnahme eines Oberflächenprofils eines Baufelds mit einem elften Fehler und
Fig. 13: einen prinzipiellen Verlauf des Verfahrens zur Überwachung eines
Oberflächenprofils in einem 3D-Drucker.
In der Figur 1 ist eine beispielhafte erste Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds in einem 3D-Drucker dargestellt. Diese mittels einer nicht dargestellten Scananordnung erzeugte Aufnahme des Oberflächenprofils 1 wurde in einem Zustand erzeugt, in welchem das auf das Baufeld aufgetragene partikelförmige Baumaterial 2 beispielsweise durch ein Aufdrucken eines Bindemittels durch entsprechende nicht dargestellte Druckköpfe selektiv verfestigte Bereiche ausbildet, welche die in der aktuellen Schicht angeordnete 3D-Teilstruktur einer im 3D-Drucker zu erzeugenden 3D-Struktur darstellen.
Diese erste Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 in der Figur 1 bildet einen fehlerfreien Auftrag des partikelförmigen Baumaterials 2 und des Bindemittels zur Ausgestaltung der 3D-Teilstrukturen 3 ab.
Wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Oberflächenprofils 1 in einem 3D-Drucker eine derartige Aufnahme des Oberflächenprofils 1 mittels der Scananordnung erzeugt, wird verfahrensgemäß mittels eines Bildvergleichs eine ordnungsgemäß aufgetragene Schicht des partikelförmigen Baumaterials 2 erkannt und ebenfalls ein ordnungsgemäßer Auftrag des Bindemittels zur Ausgestaltung der 3D-Teilstrukturen 3 erkannt. In einem solchen Fall wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker ohne eine verfahrensgemäße Beeinflussung fortgesetzt.
In der Figur 2 ist eine Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds mit einem ersten Fehler dargestellt. Diese mittels einer nicht dargestellten Scananordnung erzeugte Aufnahme des Oberflächenprofils 1 wurde ebenfalls in einem Zustand erzeugt, in welchem das auf das Baufeld aufgetragene partikelförmige Baumaterial 2 beispielsweise durch ein Aufdrucken eines Bindemittels durch ent- sprechende nicht dargestellte Druckköpfe selektiv verfestigte Bereiche ausbildet, welche die in der aktuellen Schicht angeordnete 3D-Teilstruktur einer im 3D- Drucker zu erzeugenden 3D-Struktur darstellen. Diese Aussage zur erzeugten Aufnahme des Oberflächenprofils 1 gilt auch für die nachfolgenden Figuren und wird daher nicht mehr wiederholt.
In der Figur 2 ist in den Bereichen der 3D-Teilstrukturen 3 jeweils ein verschwommener Fehlerbereich 4 dargestellt. Dieser verschwommene Fehlerbereich 4 kann sich teilweise oder, wie in der Figur 2 dargestellt, vollständig um die 3D-Teilstrukturen 3 erstrecken.
Wird ein derartiger verschwommener Fehlerbereich 4 mittels des vorliegenden Verfahrens bei der Auswertung der Aufnahme des Oberflächenprofils 1 erkannt, so kann beispielsweise auf einen Fehler bei der Fokussierung der Scananord nung, also einem falschen Abstand zwischen den optischen Sensoren der nicht dargestellten Scananordnung und der Oberfläche des Baufelds, geschlossen werden. Ein derartiger Fehler kann durch eine entsprechende Veränderung der Position des Baufelds beispielsweise softwaretechnisch beseitigt werden.
Alternativ kann ein Fehler der steuernden Mechanik des 3D-Druckers oder eine Klingenabnutzung zu einem derartigen Fehlerbild führen.
Weiterhin alternativ können diese verschwommenen Fehlerbereiche 4 durch eine falsche Konsistenz des Bindemittels oder ein falsches Bindemittel oder eine falsche Dosierung des Bindemittels in den verschwommenen Fehlerbereichen 4 verursacht sein.
In einem solchen Fall wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker entwe der verfahrensgemäß beeinflusst, indem automatisch auf ein alternatives Bindemittel umgeschaltet wird oder die Erzeugung der 3D-Struktur gestoppt und eine entsprechende Fehlermeldungen ausgegeben wird.
In der Figur 3 ist eine Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds mit einem Druckbereichsfehler 5 dargestellt. In der Darstellung der Figur 3 fehlt eine 3D-Teilstruktur 3 vollständig. Ein derartiger Druckbereichsfehler 5 wird durch ei- nen zeitweiligen oder andauernden Ausfall eines Segments eines Druckkopfes oder durch einen zeitweiligen oder andauernden Ausfall eines kompletten Druckkopfes verursacht. Üblicherweise bestehen derartige Druckköpfe aus mehreren Bereichen beziehungsweise Segmenten. Somit wird der Bereich für die benötigte 3D-Teilstruktur 3 in dieser Schicht nicht ordnungsgemäß selektiv verfestigt. Dieser Bereich ist in Figur 3 einem durch eine Strich-Strich-Linie dargestellten Rahmen kenntlich gemacht.
Hierbei wird angenommen, dass die Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel und der Scananordnung gemäß Figur 3 sowohl horizontal als auch vertikal ausgerichtet sein kann, was durch die beiden Doppelpfeile dargestellt werden soll.
In einem solchen Fall wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker verfahrensgemäß derart beeinflusst, dass der Druckvorgang unterbrochen wird und eine Reinigung eines entsprechenden Druckkopfes durchgeführt wird oder indem eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben wird.
In der Figur 4 ist eine Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds mit einem dritten Fehler dargestellt.
Ein derartiges Fehlerbild eines Druckbereichsfehlers 5 wird verursacht durch ei nen Ausfall eines Bereichs beziehungsweise Segments eines Druckkopfes oder einen Ausfall eines gesamten Druckkopfes von mehreren in einer Gruppe angeordneten Druckköpfen oder durch eine defekte oder verschmutzte Klinge. Hierbei wird angenommen, dass die Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel und der Scananordnung gemäß Figur 4 horizontal ausgerichtet ist, was durch den Doppelpfeil dargestellt werden soll.
In einem solchen Fall wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker verfah rensgemäß derart beeinflusst, dass der Druckvorgang unterbrochen wird und eine Reinigung eines entsprechenden Druckkopfes durchgeführt wird oder indem eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben wird. Wird der Druckbereichsfehler 5 durch eine defekte oder verschmutzte Klinge verursacht, wird dieser Fehler zur Anzeige gebracht. Für den Fall, dass die Technik des 3D-Druckers dies unterstützt, könnte auch ein automatischer Wechsel einer Klinge erfolgen oder auf eine andere Baugruppe, beispielsweise eine Ersatzbaugruppe eines redundanten Systems mit einer intakten Klinge, umgeschaltet werden.
In der Figur 5 ist eine Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds mit einem vierten Fehler dargestellt.
Der dargestellte Skalierungsfehler 6 tritt zumindest innerhalb der mittels einer Strich-Strich-Linie dargestellten Bereiche auf und führt zu einem Stauchen der 3D-Teilstruktur 3 in der Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel des 3D-Druckers, welche mittels des Doppelpfeils gekennzeichnet ist.
Ursache hierfür kann eine falsch eingestellte Auflösung in der Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel sein. Alternativ kann eine Störung im Wegmesssystem vorliegen, welches die Position der Arbeitsmittel wie beispielsweise eines Druckkopfs, über dem Baufeld des 3D-Druckers bestimmt.
In einem solchen Fall wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker verfahrensgemäß derart beeinflusst, dass der Druckvorgang beispielsweise unterbro chen und eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben wird. Alternativ kann beispielsweise softwaregesteuert die Auflösung auf den richtigen Wert eingestellt oder das Wegmesssystem neu kalibriert werden.
In der Figur 6 ist eine Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds mit einem fünften Fehler dargestellt.
Ein derartiger Ausrichtungsfehler 7 hat seine Ursache in einer falschen Ausrich tung eines oder mehrerer Druckköpfe des 3D-Druckers. Der Ausrichtungsfehler 7 ist innerhalb der mittels einer Strich-Strich-Linie dargestellten Bereiche dargestellt. Der Ausrichtungsfehler 7 führt zu einem von 90 Grad abweichenden Winkel zwischen der mittels einer Strich-Punkt-Linie dargestellten gedachten Längsachse der 3D-Teilstrukturen 3 und der mittels eines Doppelpfeils dargestellten Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel des 3D-Druckers.
In einem solchen Fall wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker verfahrensgemäß derart beeinflusst, dass eine automatische Justage der betroffenen Druckköpfe erfolgt, um den Fehler zu verringern beziehungsweise zu beseitigen. Alternativ wird der Druckvorgang gestoppt und eine entsprechende Fehlermel dung ausgegeben.
In der Figur 7 ist eine Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds mit einem sechsten Fehler dargestellt. Dargestellt ist ein Fehler in der Form einer Fehlstelle 8, welche durch den Ausfall einer oder mehrerer Düsen beispielsweise in einem Druckkopf oder eines Bereichs eines Druckkopfes verursacht worden ist.
Bei einem Ausfall einer Düse eines Druckkopfes wird an der Stelle der ausgefal lenen Düse kein Bindemittel auf das partikelförmige Baumaterial 2 aufgetragen, wodurch keine selektive Verfestigung in diesem in der Figur 7 streifenförmigen Bereich erfolgt. Ein derartiger streifenförmiger Bereich erstreckt sich parallel zu der mittels eines Doppelpfeils dargestellten Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel des 3D-Druckers. In der Figur 7 ist die Fehlstelle 8 innerhalb des mittels einer Strich-Strich-Linie dargestellten Bereichs zu erkennen.
In einem solchen Fall wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker verfahrensgemäß derart beeinflusst, dass eine automatische Reinigung des betroffenen Druckkopfes erfolgt, um den Fehler zu verringern beziehungsweise zu beseitigen.
In der Figur 8 ist eine Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds mit einem siebenten Fehler dargestellt. Zu erkennen ist eine Verunreinigung 9, wie beispielsweise ein Fremdkörper, welcher unbeabsichtigt auf die Oberfläche des partikelförmigen Baumaterials 2 auf dem Baufeld gelangt ist. Dieser Fremdkörper wird beispielsweise durch ein Arbeitsmittel des 3D-Druckers über die Oberfläche des partikelförmigen Baumaterials 2 bewegt und verursacht innerhalb des mittels einer Strich-Strich-Linie dargestellten Bereichs einen Graben. Dieser Graben entsteht somit in der mittels eines Doppelpfeils dargestellten Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel des 3D-Druckers.
In einem solchen Fall wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker verfah rensgemäß derart beeinflusst, dass die Erzeugung der 3D-Struktur gestoppt wird, um zu verhindern, dass Fehler bei der Erzeugung der 3D-Struktur durch die Verunreinigung 9 auftreten. Eine zugehörige Fehlermeldung wird ausgegeben. In der Figur 9 ist eine Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds mit einem achten Fehler dargestellt. Innerhalb des mittels einer Strich-Strich-Linie dargestellten Bereichs in der Figur 9 ist eine Furche 10 zu erkennen, welche durch eine lokale Verstopfung in einem Arbeitsmittel des 3D-Druckers wie einem Aufträger beziehungsweise Recoater verursacht wird. Durch diese lokale Verstopfung wird an dieser Stelle kein partikelförmiges Baumaterial 2 auf das Baufeld aufgetragen. Durch die Bewegung des Arbeitsmittels in der mittels eines Doppelpfeils dargestellten Bewegungsrichtung erstreckt sich die Furche 10 ebenfalls in dieser Richtung. Die Furche 10 ist in der Figur 9 innerhalb des mittels einer Strich- Strich-Linie dargestellten Bereichs gezeigt.
In einem solchen Fall wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker verfahrensgemäß derart beeinflusst, dass die Erzeugung der 3D-Struktur gestoppt wird, um zu verhindern, dass Fehler bei der Erzeugung der 3D-Struktur durch die Furche 10 auftreten. Eine zugehörige Fehlermeldung wird ausgegeben.
In der Figur 10 ist eine Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds mit einem neunten Fehler dargestellt. Die in der Figur 10 zu erkennenden ersten Feh lerstellen 11 sind beispielsweise durch eine Verunreinigung beziehungsweise Fehler in der Mischung des partikelförmigen Baumaterials 2 entstanden. Eine derartige beispielsweise verfestigte Anhäufung wie ein Agglomerat bildet eine Fehlerstelle 11 aus, beeinträchtigt die Erzeugung einer 3D-Struktur und führt zu Fehlern innerhalb der zu erzeugenden 3D-Struktur. Die ersten Fehlerstellen 11 sind in der Figur 9 innerhalb der mittels je einer Strich-Strich-Linie dargestellten Bereiche gezeigt.
In einem solchen Fall wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker verfahrensgemäß derart beeinflusst, dass die Erzeugung der 3D-Struktur gestoppt wird, um zu verhindern, dass Fehler bei der Erzeugung der 3D-Struktur durch erste Fehlerstellen 11 auftreten. Eine zugehörige Fehlermeldung wird ausgegeben.
In der Figur 11 ist eine Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds mit einem zehnten Fehler dargestellt. Innerhalb des mittels einer Strich-Strich-Linie dargestellten Bereichs in der Figur 11 ist eine zweite Fehlerstelle 12 dargestellt. Diese zweite Fehlerstelle 11 erstreckt sich entlang eines Außenbereichs der großen 3D-Teilstruktur 3. Die zweite Fehlerstelle 12 wird beispielsweise durch eine zu hohe Bewegungsgeschwindigkeit eines Arbeitsmittels des 3D-Druckers wie einem Druckkopf, verursacht, welcher sich in der mit dem Pfeil dargestellten Rich tung bewegt. Alternativ kann die zweite Fehlerstelle 12 durch nicht ordnungsgemäß beziehungsweise rechtzeitig schließende Düsen in einem Bereich eines Druckkopfes, in einem Druckkopf oder in mehreren Druckköpfen hervorgerufen werden.
Im Bereich der zweiten Fehlerstelle 12 wird kein ordnungsgemäßer beziehungsweise scharfkantiger Übergang zwischen der 3D-Teilstruktur 3 und dem partikelförmigen Baumaterial 2 ausgebildet.
Diese zweiten Fehlerstellen 12 sind auch in dem Fall problematisch, wenn die Arbeitsmittel nicht nur in einer, sondern in zwei Richtungen über das Baufeld bewegt werden bei der Erzeugung einer 3D-Struktur. So wird beispielsweise in einer ersten Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel über das Baufeld, wie mittels des Pfeils in der Figur 11 dargestellt ist, die zweite Fehlerstelle 12 auf der rechten Sei te der 3D-Teilstruktur 3 erzeugt. In einer zweiten Bewegungsrichtung der Arbeitsmittel über das Baufeld, welche der ersten Richtung entgegengesetzt ist, wird die zweite Fehlerstelle 12 in der Figur 11 auf der linken Seite der 3D-Teilstruktur 3 erzeugt, was in der Figur 11 nicht gezeigt ist. Somit werden die zweiten Fehlerstellen 12 beispielsweise wechselseitig erzeugt, was zu einer Verschlechterung der Qualität der zu erzeugenden 3D-Struktur führt.
Bei sehr kleinen herzustellenden 3D-Teilstrukturen können diese zweiten Fehler stellen 12 derart stark gegeneinander verschoben sein, dass eine Stabilität der zu erzeugenden 3D-Struktur in diesem Bereich nicht mehr gegeben ist.
Bei einem Auftreten derartiger Fehler wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D- Drucker verfahrensgemäß derart beeinflusst, dass die Erzeugung der 3D-Struktur mit einer geringeren Geschwindigkeit fortgesetzt wird, um zu verhindern, dass Fehler bei der Erzeugung der 3D-Struktur durch die zweite Fehlerstelle 12 auftre- ten. Alternativ kann die Erzeugung der 3D-Struktur unterbrochen und eine zugehörige Fehlermeldung ausgegeben werden.
In der Figur 12 ist eine Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 eines Baufelds mit einem elften Fehler dargestellt. In diesem Fall ist die Aufnahme beziehungsweise der Scan des Oberflächenprofils 1 nach einem Aufträgen eines partikelförmigen Baumaterials 2 in einer neuen Schicht erfolgt. 3D-Teilstrukturen werden in dieser Schicht erst zu einem späteren Zeitpunkt ausgebildet.
Die Figur 12 zeigt eine große Aufnahme eines Oberflächenprofils 1 und im rech ten Teil der Figur 12 eine Vergrößerung eines durch die Strich-Strich-Linie um fassten Bereichs der Oberfläche des Oberflächenprofils 1.
In dieser Vergrößerung sind Strukturfehler 12 innerhalb des partikelförmigen Baumaterials 2 zu erkennen. Derartige Strukturfehler 12 können durch ein Entmi schen des partikelförmigen Baumaterials 2 auftreten.
Als Fehler kann auch ein falscher Farbton der Oberflächenstruktur 1 erkannt werden. Üblicherweise ist der Farbton des aufzubringenden partikelförmigen Bauma terials 2 bekannt. Dieser richtet sich nach den im partikelförmigen Baumaterial 2 enthaltenen Stoffen. So kann beispielsweise anhand der Farbe beziehungsweise des Farbtons der Oberflächenstruktur 1 auf ein Mischungsverhältnis geschlossen werden.
Somit kann für den Fall, dass der Farbton der Oberflächenstruktur 1 von einem erwarteten Farbton abweicht, auf ein falsches Mischungsverhältnis oder ein falsches Material für das partikelförmige Baumaterial 2 geschlossen werden.
In einem solchen Fall wird die Erzeugung der 3D-Struktur im 3D-Drucker verfahrensgemäß derart beeinflusst, dass die Erzeugung der 3D-Struktur gestoppt wird, um zu verhindern, dass Fehler bei der Erzeugung der 3D-Struktur durch ein falsches beziehungsweise fehlerhaftes partikelförmiges Baumaterial 2 auftreten. Eine zugehörige Fehlermeldung wird ausgegeben.
Um Fehler beim Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials 2 zu vermeiden oder zu beseitigen, ist es auch vorgesehen, dass eine Anpassung beziehungs- weise Veränderung der Parameter für das Aufträgen des partikelförmigen Bauma terials 2 erfolgt. Parameter beim Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials 2 sind beispielsweise ein Spaltmaß am Auslass eines Aufträgers des partikelförmi gen Baumaterials 2 beziehungsweise am Recoater, die in einer Zeiteinheit aufzu tragende Menge des partikelförmigen Baumaterials 2, ein Einstellwinkel eines Arbeitsmittels wie einer Klinge, beispielsweise zur Lotsenkrechten oder zur Ober fläche des Baufelds, eine Anfangsposition, bei welcher der Auftrag des partikel förmigen Baumaterials 2 beginnt, oder eine Dichte des aufzutragenden und zu verfestigenden partikelförmigen Baumaterials 2.
In der Figur 13 ist ein prinzipieller Verlauf des Verfahrens zur Überwachung eines Oberflächenprofils 1 in einem 3D-Drucker dargestellt.
Das Verfahren startet im Schritt 14. Im nachfolgenden Schritt 15 erfolgt die Erzeugung der Abbildung des Oberflächenprofils 1 im 3D-Drucker, wobei diese Abbildung die aktuelle Oberfläche der obersten Schicht auf dem Baufeld zeigt. Diese Schicht kann beispielsweise durch Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials 2 gerade neu entstanden sein. Alternativ kann in dieser obersten Schicht nach dem Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials 2 bereits ein selektives Verfestigen in vorgestimmten Teilbereichen durch Aufdrucken eines Bindemittels erfolgt sein.
Im Schritt 16 erfolgt die Analyse der entsprechenden Abbildung des Oberflächenprofils 1. Diese Analyse kann beispielsweise mittels eines Bildvergleichs erfolgen, wobei eine Soll-Abbildung als Referenzabbildung der jeweils zu erwartenden Ab bildungen der Schichten hinterlegt beziehungsweise erzeugt und abgespeichert wurden. Aus Daten für die zu erzeugende 3D-Struktur, welche im 3D-Drucker für jede zu erzeugende Schicht vorliegen, wird eine zu erwartende Abbildung, also eine Soll-Abbildung, generiert beziehungsweise erzeugt. Eine derartige Soll- Abbildung kann pro Schicht oder für verschiede Verfahrensschritte innerhalb einer Schicht erzeugt werden. Bei der Analyse im Schritt 16 erfolgt dann beispielsweise ein Bildvergleich zwischen der Soll-Abbildung und der erzeugten Abbildung des Oberflächenprofils 1. Ein derartiger Bildvergleich kann auch unter Nutzung von Werten für eine Toleranz zwischen der erwarteten Abbildung und der erzeugten Abbildung erfolgen. Somit führen kleinste und tolerierbare Fehler und/oder Unregelmäßigkeiten nicht zu einer Fehleranzeige.
Im Schritt 17 erfolgt eine Prüfung auf ein Vorhandensein von ermittelten Fehlern und/oder Unregelmäßigkeiten. Wird im Schritt 17 festgestellt, dass kein Fehler und/oder keine Unregelmäßigkeit ermittelt wurde, wird das Verfahren im Schritt 15 mit einer weiteren Erzeugung einer nachfolgenden Abbildung des Oberflächen profils 1 fortgesetzt.
Alternativ wird das Verfahren im Schritt 18 beispielsweise mit automatisierten Maßnahmen zur Beseitigung oder Verringerung von Fehlern und/oder Unregelmäßigkeiten fortgesetzt. Alternativ kann auch eine Ausgabe des Fehlers beispielsweise optisch beziehungsweise mittels einer Fehleraufschrift erfolgen und die Erzeugung der 3D-Struktur angehalten werden.
Maßnahmen zur Beseitigung oder Verringerung von Fehlern und/oder Unregelmäßigkeiten können beispielsweise sein: eine Reinigung eines Druckkopfes oder eine Reinigung eines Bereichs eines Druckkopfes, eine Justage eines Druckkopfes, eine Auswahl eines alternativen Bindemittels, ein automatisierter Wechsel eines Arbeitsmittels des 3D-Druckers, eine automatisierte Reinigung eines oder mehrerer Arbeitsmittel des 3D- Druckers, eine Justage eines oder mehrerer Arbeitsmittel des 3D Druckers, eine Veränderung einer Auflösung bei einem Aufdrucken eines Bindemittels, eine Veränderung einer Geschwindigkeit eines Arbeitsmittels des 3D- Druckers, • eine Veränderung der Parameter der Partikelmaterialaufbringung.
Nachdem im Schritt 18 Maßnahmen zur Beseitigung oder Verringerung von Feh lern und/oder Unregelmäßigkeiten erfolgt sind, wird im Schritt 19 geprüft, ob die durchgeführten Maßnahmen erfolgreich waren. Wird durch die durchgeführte Maßnahme der Fehler und/oder die Unregelmäßigkeit beseitigt oder derart verringert, dass der Toleranzbereich erreicht wurde, so wird das Verfahren im Schritt 15 mit einer weiteren Erzeugung einer nachfolgenden Abbildung des Oberflächenprofils 1 fortgesetzt.
Für den Fall, dass durch die durchgeführte Maßnahme der Fehler und/oder die Unregelmäßigkeit nicht beseitigt werden konnte, wird das Verfahren im Schritt 20 mit Statusausgabe fortgesetzt. Da der Fehler und/oder die Unregelmäßigkeit nicht automatisiert beseitigt werden konnte, wird die Erzeugung der 3D-Struktur gestoppt. Außerdem wird beispielsweise optisch beziehungsweise mittels einer Fehleraufschrift der Zustand beziehungsweise Fehlerzustand angezeigt beziehungs- weise in Form von Daten ausgegeben.
Nachfolgend endet das Verfahren zur Überwachung eines Oberflächenprofils 1 in einem 3D-Drucker im Schritt 21.
Liste der Bezugszeichen
1 Oberflächenprofil
2 partikelförmiges Baumaterial
3 3D-Teilstruktur verschwommener Fehlerbereich
5 Druckbereichsfehler
6 Skalierungsfehler
7 Ausrichtungsfehler
8 Fehlstelle
9 Verunreinigung
10 Furche
11 erste Fehlerstelle
12 zweite Fehlerstelle
13 Strukturfehler
14 Start Verfahren
15 Erzeugung einer Abbildung des Oberflächenprofils
16 Analyse der Abbildung des Oberflächenprofils
17 Fehler und/oder Unregelmäßigkeiten vorhanden?
18 Maßnahmen zur Beseitigung oder Verringerung von Fehlern und/oder Unregelmäßigkeiten
19 Prüfung Maßnahme erfolgreich? 0 Statusausgabe 1 Ende Verfahren

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Überwachung eines Oberflächenprofils (1) in einem 3D- Drucker, bei welchem eine Abbildung des Oberflächenprofils (1) auf einem Baufeld eines 3D-Druckers erzeugt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Analyse der erzeugten Abbildung des Oberflächenprofils (1) durchgeführt wird und dass bei dieser Analyse eine ordnungsgemäße oder eine fehlerhafte Erzeugung von 3D-Teilstrukturen und/oder eine ordnungsgemäß oder eine fehlerhaft erzeugte Struktur des schichtweise aufgebrachten partikelförmigen Baumaterials (2) ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbil dung des Oberflächenprofils (1) vor oder nach einem zumindest teilweisen Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial (2) auf das Baufeld eines 3D- Druckers erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung des Oberflächenprofils (1) vor oder nach einem selektiven Verfs- tigen der aufgebrachten Schicht des partikelförmigen Baumaterials (2) auf das Baufeld eines 3D-Druckers erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der optischen Analyse der Abbildung des Oberflächenprofils (1) ein verschwommener Fehlerbereich (4), ein Druckbereichsfehler (5), ein Skalierungsfehler(6), ein Ausrichtungsfehler (7), eine Fehlerstelle (8) oder eine zweite Fehlerstelle (12) als Fehler bei der Erzeugung von 3D- Teilstrukturen ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der optischen Analyse der Abbildung des Oberflächenprofils (1) ein verschwommener Fehlerbereich (4), eine Verunreinigung (9), eine Furche (10), eine erste Fehlerstelle (11) oder ein Strukturfehler (13) als Fehler in einer Struktur des schichtweise aufgebrachten partikelförmigen Baumaterials (2) ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Analyse der Abbildung des Oberflächenprofils (1) ermittelten Fehler ausgegeben und optisch zur Anzeige gebracht werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüchel bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Analyse der Abbildung des Oberflächenprofils (1) ermittelten Fehler an einen Softwarealgorithmus ausgegeben werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Softwarealgorithmus gesteuert durch die ermittelten Fehler fehlerreduzierende oder fehlerbeseitigende Maßnahmen steuert.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass fehlerreduzierende oder fehlerbeseitigende Maßnahmen eine Reinigung eines Druck kopfes oder eine Reinigung eines Bereichs eines Druckkopfes, eine Justage eines Druckkopfes, eine Auswahl eines alternativen Bindemittels, ein automatisierter Wechsel eines Arbeitsmittels des 3D-Druckers, eine automatisierte Reinigung eines oder mehrerer Arbeitsmittel des 3D-Druckers, eine Justage eines oder mehrerer Arbeitsmittel des 3D Druckers, eine Verände rung einer Auflösung bei einem Aufdrucken eines Bindemittels, eine Veränderung einer Geschwindigkeit eines Arbeitsmittels des 3D-Druckers oder eine Veränderung der Parameter der Partikelmaterialaufbringung sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Abbildung des Oberflächenprofils (1) eine mehrere optische Sensoren umfassende Scananordnung bereitgestellt wird, welche über dem Baufeld bewegbar ist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren optischen Sensoren in einer Linie angeordnet in der Scananordnung bereitgestellt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Scananordnung über dem Baufeld in einem konstanten Abstand zu diesem bewegbar ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Analyse mittels eine Bildvergleichs zwischen einer Soll- Abbildung und der erzeugten Abbildung erfolgt.
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