Vorrichtung und Verfahren für die additive Herstellung eines Werkstücks

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für die additive Herstellung eines Werkstücks mittels Materi alextrusion. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Planung von Werkzeugpfaden für additive Herstellung eines Werkstücks mittels Materialextrusion.

Ein mögliches Verfahren zur additiven Herstellung eines Werk stücks, umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, ist die Materialextrusion. Dieses Verfahren ist unter anderem auch unter den Kürzeln MEX (Material Extrusion), FDM ^® (Fused Deposition Modeling), FLM (Fused Layer Manufacturing) und FFF (Fused Filament Fabrication) bekannt. Dabei wird das Werk stück schichtweise aufgebaut, indem ein entsprechendes Halb zeug aufgeschmolzen und schichtweise zuerst auf ein Substrat, dann auf bereits bestehende Teile des Werkstücks und Stütz strukturen abgeschieden wird. Bei dem Halbzeug handelt es sich grundsätzlich um thermoplastische Kunststoffe, wie zum Beispiel PLA (Polyactide, Polymilchsäure). Auch ist es bei spielsweise möglich, dass besondere Rohmaterialien wie eine in das Rohmaterial gefasste Faser mit aufgetragen wird, wobei diese zweckmäßig dabei nicht aufgeschmolzen wird.

Beim schichtweisen Aufbau des Werkstücks wird üblicherweise ein Druckkopf horizontal, d.h. in der X-Y-Ebene bewegt und gleichzeitig werden mit dem Druckkopf Material-Bahnen aufge bracht. Ist eine Schicht fertiggestellt, wird üblicherweise der Druckkopf senkrecht nach oben, also in Z-Richtung bewegt und eine weitere Schicht begonnen. Daher stellen solche Teile des Werkstücks, die bei der Herstellung senkrecht oder in ei nem steilen Winkel stehen, üblicherweise keine Probleme dar. Horizontale Teile oder in flachem Winkel stehende Flächen da gegen, die nicht direkt auf dem Substrat oder darunterliegen den Teilen des Werkstücks aufliegen, benötigen eine Abstüt- zung. Diese werden durch die Software üblicherweise automati siert erzeugt und dem Werkstück zugefügt. Nachteilig an den Stützstrukturen ist, dass sie bei Werkstücken mit vielen ho rizontalen Flächen zu einer erheblichen Verlängerung der Druckzeit führen, da sie genau wie das Werkstück selbst Schicht für Schicht erstellt werden müssen. Daneben führen sie auch zu einem Mehrverbrauch an Rohmaterial. Weiterhin ist nachteilig, dass die Stützstrukturen nach der Erstellung des Werkstücks entfernt werden müssen, was nicht leicht automati sierbar ist und bei manchen Werkstück-Geometrien schwierig durchzuführen ist.

Diesen Nachteilen kann begegnet werden, indem eine Vorrich tung für den fünfachsigen 3D-Druck verwendet wird. Eine sol che Vorrichtung hat neben den Aktoren für die X-, Y- und Z- Richtung, die im Druckkopf und/oder dem Substrat angeordnet sind, zwei weitere Aktoren. Diese können beispielsweise Moto ren für eine Drehbewegung des Substrats sein, die ein Verkip pen und/oder Rotieren des Substrats erlauben. In anderen Aus führungen kann auch der Druckkopf selbst rotierbar angeordnet sein.

In der erstgenannten Alternative, d.h. bei rotier- und/oder schwenkbarem Substrat, arbeitet der Druckkopf unverändert, d.h. er trägt eine Schicht in der X-Y-Ebene auf und wird dann in der Z-Ebene verfahren, um die nächste Schicht zu beginnen. Zusätzlich kann jedoch in Abhängigkeit von der Werkstück- Geometrie das Substrat und somit der fertige Teil des Werk stücks verkippt oder verdreht werden. Dadurch liegt eine nächstfolgend gedruckte Materialbahn nicht mehr parallel zu einer oder mehreren vorherigen Materialbahnen. Da die Materi albahnen dadurch in vielen Fällen so erzeugt werden können, dass sie auf vorherigen Materialbahnen zu liegen kommen, ent fällt die Notwendigkeit für einen Teil oder sogar alle Stütz strukturen. Dadurch wird der 3D-Druck erheblich beschleunigt. Nachteilig an diesem fünfachsigen Druckverfahren gegenüber dem herkömmlichen Verfahren ist aber, dass beim fünfachsigen Verfahren wenigstens teilweise unterschiedlich dicke Schich- ten erzeugt werden müssen. Die Qualität einer aktuell ge druckten Materialbahn wird vermindert, wenn die tatsächlich gedruckte Schichtdicke nicht zu der geometrisch erforderli chen Schichtdicke passt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren für die fünfachsige additive Herstellung eines Werkstücks mittels Materialextrusion anzugeben, die die eingangs genannten Nachteile vermeiden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Planung von Werkzeugpfaden für die additive Herstellung eines Werk stücks mittels Materialextrusion anzugeben, das die eingangs genannten Nachteile vermeidet.

Ein erster Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung für die fünfachsige additive Herstellung eines Werkstücks mittels Ma terialextrusion mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die fünfachsige additive Herstellung eines Werkstücks mittels Materialextrusion um fasst eine Fördervorrichtung zur Bereitstellung eines Volu menstroms eines Rohmaterials und einen Druckkopf zur Aufbrin gung des Rohmaterials auf ein Substrat oder bereits bestehen de Teile des Werkstücks. Sie umfasst weiterhin eine erste Po- sitionier-Einrichtung zur dreidimensionalen Positionierung des Druckkopfs und eine zweite Positionier-Einrichtung zur dreidimensionalen Positionierung des Substrats, wobei die zweite Positionier-Einrichtung Mittel zur Drehung und/oder Schwenkung des Substrats umfasst. Es handelt sich mit anderen Worten um eine Vorrichtung, die für die fünfachsige additive Herstellung ausgestaltet ist, bei der zu einer relativen Be wegung von Druckkopf zu Substrat in den drei Raumrichtungen noch zwei weitere Freiheitsgrade dazukommen.

Die Vorrichtung umfasst ferner eine Steuereinrichtung zur An steuerung der Fördervorrichtung und der Positioniereinrich tungen. Die Steuereinrichtung ist ausgestaltet, für einen vorgebbaren Ausgangspunkt und einen vorgebbaren Zielpunkt o- der für eine vorgebbare relative Bewegung vom augenblickli chen Punkt zu dem Zielpunkt für eine Bewegung des Druckkopfs eine Bahn zu ermitteln und den Druckkopf auf der Bahn vom Ausgangspunkt zum Zielpunkt zu steuern. Beispielsweise kann eine neue Bahn in der Form von einer drei- oder fünfachsigen Angabe mit Werten für X, Y, Z, B oder A und C gegeben sein, wobei die dafür jeweils gegebenen Zahlen eine inkrementeile Entfernungs- oder absolute Positionsangabe im jeweiligen po lar- oder kartesischen Koordinatensystem sein können. Die Vorrichtung ermittelt und interpoliert daraus die Strom-, Drehzahl- und Lagesollwertvorgaben für die Regelung der Moto ren, die zur Positionierung verwendet werden.

Ferner ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, den durch die Fördervorrichtung bereitgestellten Volumenstrom des Rohmate rials bei Durchfahren der Bahn anhand von einem Wert für das Material-Gesamtvolumen und einem vorgebbaren Verlauf für den Volumenstrom über die Bahn hinweg zu ermitteln und einzustel len. Der Wert für das Gesamtvolumen kann dabei eine tatsäch liche Zahlenangabe für das Gesamtvolumen an Rohmaterial sein, das für die aktuelle Bahn verwendet werden soll, aber auch eine relative Angabe, beispielsweise für ein kumuliertes, zu verbrauchendes Gesamtvolumen.

Der vorgebbare Verlauf ist eine Angabe, mit der die Vorrich tung errechnen kann, ob und wie der Volumenstrom des Rohmate rials über die Bahn hinweg zu verändern und zu verteilen ist. Wenn der Volumenstrom nicht zu verändern ist, ist die Angabe des Verlaufs optional. Ist der Volumenstrom aber zu ändern, gibt der Verlauf an, wie die Veränderung abläuft.

Dadurch kann die Vorrichtung anstelle eines konstanten Volu menstroms an Rohmaterial einen vorbestimmt veränderlichen Vo lumenstrom verwenden. Dadurch wird vorteilhaft eine absicht lich veränderliche Dicke der gedruckten Materialbahn er reicht, mit der Werkstücke wie das eingangs beschriebene Rohr vorteilhaft ohne Materialüberschuss, Materialunterschuss und ohne Stückelung von Bahnen gedruckt werden kann. Besonders vorteilhaft ist, dass dadurch auch ein fünfachsiger 3D-Druck mit einem nicht thermoplastischen Anteil im Rohmate rial wie beispielsweise einer Kevlar-, Glas- oder Carbon- Faser ermöglicht wird, ohne dabei bei bestimmten Materialbah nen zwangsläufig Materialüberschuss, Materialmangel oder eine Stückelung verwenden zu müssen. Die Stückelung ist besonders nachteilig, da der Kraftfluss in der Bahn unterbrochen wird.

Das genannte Problem tritt wie eingangs beschrieben bei Mate rialbahnen auf, die rein geometrisch keilförmig sein müssten. Da keilförmige Bahnen bei einem herkömmlichen dreiachsigen und daher rein schichtorientierten 3D-Druck nicht Vorkommen, stellt sich bei solchen Vorrichtungen das Problem nicht. Die erfindungsgemäße Lösung ist speziell angepasst an den fünf- achsigen 3D-Druck.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren für die fünfachsige additive Herstellung eines Werkstücks mittels Ma terialextrusion mit den Merkmalen von Anspruch 5. Bei dem er findungsgemäßen Verfahren wird Rohmaterial zu einem Druckkopf gefördert. Der Druckkopf bringt das Rohmaterial auf ein Sub strat oder bereits bestehende Teile des Werkstücks auf. Dabei werden der Druckkopf und/oder das Substrat dreidimensional positioniert.

Für einen vorgebbaren Ausgangspunkt und einen vorgebbaren Zielpunkt oder für eine vorgebbare relative Bewegung vom au genblicklichen Punkt zu dem Zielpunkt wird für eine Bewegung des Druckkopfs eine Bahn ermittelt und der Druckkopf auf der Bahn vom Ausgangspunkt zum Zielpunkt bewegt. Wie bei der er findungsgemäßen Vorrichtung kann eine neue Bahn in der Form von einer drei- und/oder fünfachsigen Angabe mit Werten für X, Y, Z, A und C) gegeben sein, wobei die dafür jeweils gege benen Zahlen eine inkrementeile Entfernungsangabe oder abso lute Zielkoordinaten sein können.. Daraus werden tatsächliche Steuerungsvorgaben für die Motoren, die zur Positionierung verwendet werden, berechnet. Bei Durchfahren der Bahn wird der bereitgestellte Volumen- strom des Rohmaterials anhand von einem Wert für das Materi al-Gesamtvolumen und einem vorgebbaren Verlauf über die Bahn hinweg eingestellt. Auch hier kann der Wert für das Gesamtvo lumen eine tatsächliche Zahlenangabe für das Gesamtvolumen an Rohmaterial sein, das für die aktuelle Bahn verwendet werden soll, aber auch eine relative Angabe, beispielsweise für ein kumuliertes, zu verbrauchendes Gesamtvolumen.

Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Pla nung von Werkzeugpfaden für die additive Herstellung eines Werkstücks mittels Materialextrusion mit den Merkmalen von Anspruch 7.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Planung einer Bahn für ein fünfachsiges additives Fertigungsverfahren, bei dem mittels Materialextrusion Rohmaterial auf einem Substrat oder bereits bestehende Teile eines herzustellenden Werkstücks aufgebracht wird und bei dem das Substrat gedreht wird, wobei ein Druckkopf entlang der Bahn zu bewegen ist, wird ein Aus gangspunkt und ein Zielpunkt für die Bahn aus geometrischen Daten des herzustellenden Werkstücks ermittelt. Weiterhin wird ein Verlauf für den Volumenstrom des Rohmaterials sowie ein Material-Gesamtvolumen für die Bahn aus den geometrischen Daten ermittelt.

Ausgangspunkt und Zielpunkt oder eine Angabe für die relative Bewegung vom Ausgangspunkt zum Zielpunkt werden in der Folge in eine Steuerungsdatei für eine Vorrichtung für die additive Herstellung eines Werkstücks, oder direkt an die Vorrichtung, ausgegeben. Schließlich wird das Material-Gesamtvolumen und der Verlauf in die Steuerungsdatei oder an die Vorrichtung ausgegeben. Dabei kann der Wert für das Gesamtvolumen wiede rum eine tatsächliche Zahlenangabe für das Gesamtvolumen an Rohmaterial sein, das für die aktuelle Bahn verwendet werden soll, aber auch eine relative Angabe, beispielsweise für ein kumuliertes Gesamtvolumen, das bevorzugt erst auf der Steue- rung on-the-fly mittels Faktoren und Variablen berechnet wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrich tung und Verfahren gehen aus den abhängigen Ansprüchen her vor. Dabei können die Ausführungsformen der unabhängigen An sprüche mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vor zugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombi niert werden. Demgemäß können noch zusätzlich folgende Merk male vorgesehen werden:

- Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, das Material- Gesamtvolumen aus einem Anfangswert für den Ausgangspunkt und einem vom Anfangswert verschiedenen Endwert für den Zielpunkt zu ermitteln. Das kann beispielsweise der Fall sein, wenn ku mulierte Werte für das Material-Gesamtvolumen in den Steue rungsdaten vorliegen. Die Steuerungsdaten können eine Steue rungsdatei oder direkt an eine Vorrichtung gegebene Daten sein. Solche Daten können beispielsweise die folgende Form haben:

Gl XI86.618 Y188.729 E2.5251 Gl X187.235 Y188.436 E2.54101 Gl X187.882 Y188.217 E2.55691

Hierbei bezeichnet die meist inkrementeile Zahlenangabe nach dem Steuercode „E" genau die Strecke, um die das Rohmaterial während der durchzuführenden Bewegung mithilfe der Förderein heit durch den beheizten Druckkopf gefördert werden soll. Mithilfe der Getriebeübersetzung kann somit die erforderliche Motordrehzahl an die Steuereinheit weitergegeben werden.

- Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, als Verlauf einen linearen Verlauf zu verwenden und den Volumenstrom li near zu interpolieren. Beispielsweise kann ein ansteigender oder abfallender Verlauf verwendet werden. Die Steuerdaten können beispielsweise einen Steuercode vorsehen, der gefolgt ist von einer Steigung für den linearen Verlauf. Ein Wert für die Steigung von 0 entspricht keiner Steigung und symboli siert einen unveränderlichen Volumenstrom, wie er bereits im Stand der Technik verwendet wird. Ein positiver Wert symboli siert ein Ansteigen des Volumenstroms. Aus der Steigung und der Gesamtmenge an Rohmaterial können Anfangs- und Endvolu menstrom sowie alle Werte dazwischen errechnet werden.

- Die Steuereinrichtung kann ausgestaltet sein, als Verlauf einen nichtlinearen Verlauf zu verwenden, beispielsweise ei nen polynomialen Verlauf. Ein Beispiel für einen solchen Ver lauf ist ein quadratischer oder kubischer Verlauf. Die Steu erdaten enthalten dann Steuercodes, die die nötigen Angaben für den polynomialen Verlauf enthalten, beispielsweise die Koeffizienten des Polynoms. Bei einem nichtlinearen Verlauf ist es möglich, dass Werte für den Volumenstrom auftreten, die den Bereich verlassen, der durch den Volumenstrom zu Be ginn und zum Ende der Bahn aufgespannt wird.

- Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, bei der Ermittlung eines momentanen Volu menstroms die momentane Geschwindigkeit des Druckkopfs rela tiv zum Werkstück einzubeziehen. Hierdurch wird erreicht, dass Schwankungen dieser Geschwindigkeit nicht zu Über- oder Unterextrusion oder - im Falle von nicht-thermoplastischen Materialien - zu Spannungen im Material führen. Hierzu können die Steuerdaten einen Steuercode enthalten, der statt einem geschwindigkeitsunabhängigen Wert für den Volumenstrom einen Basiswert enthält, der von der Steuereinrichtung noch mit der momentanen Geschwindigkeit multipliziert wird. Die momentane Geschwindigkeit ist dabei eine gemessene Geschwindigkeit und entspricht deshalb nicht an allen Stellen der Sollgeschwin digkeit. Hierfür umfasst die Vorrichtung bevorzugt eine Mess einrichtung, die die Ermittlung der tatsächlichen Geschwin digkeit des Druckkopfes zulässt. - Zur Planung von Werkzeugpfaden können folgende Schritte vorgesehen sein:

- Ermittlung eines Anfangswerts für den Volumenstrom des Roh materials für den Ausgangspunkt aus den geometrischen Daten,

- Ermittlung eines Endwerts für den Volumenstrom des Rohmate rials für den Zielpunkt aus den geometrischen Daten.

- Aus den Aspekten der Erfindung ergibt sich ein vorteilhaf tes Zusammenspiel, wenn das Verfahren zur Planung von Werk zeugpfaden verwendeten wird, um ein für ein gegebenes Werk stück Steuerdaten zu erstellen und diese dann mit der Vor richtung gemäß dem ersten Aspekt oder dem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt verarbeitet werden, um das Werkstück zu er stellen. Dabei versteht es sich, dass die additive Herstel lung des Werkstücks mit einer Vielzahl von so ermittelten Bahnen durchgeführt wird, derart, dass der Druckkopf entlang der ermittelten Bahnen bewegt wird, insbesondere während der Druckkopf das Rohmaterial abgibt und dadurch entlang der Bah nen ablegt.

- Ein Computerprogramm, das direkt in einen Speicher einer elektronischen Recheneinrichtung ladbar ist, kann Programm- Mittel umfassen, um die Schritte des Verfahrens zur Planung von Werkzeugpfaden auszuführen, wenn das Computerprogramm in einer elektronischen Recheneinrichtung ausgeführt wird.

- Das Computerprogramm kann auf einem elektronisch lesbaren Datenträger mit darauf gespeicherten elektronisch lesbaren Steuerinformationen gespeichert sein, wobei die Steuerinfor mationen derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer elektronischen Recheneinrichtung das Verfahren zur Planung von Werkzeugpfaden durchführen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er läutert. Es zeigen schematisch:

Figur 1 eine räumliche Ansicht eines zu fertigenden Werk stücks,

Figur 2 eine Vorrichtung zur fünfachsigen additiven Fertigung des Werkstücks,

Figur 3 ein Fertigungsschema aus Materialbahnen für eine Sei tenwand des Werkstücks im fünfachsigen Verfahren,

Figur 4 Verläufe für die Schichtdicke für mehrere Material bahnen.

In Figur 1 ist eine räumliche Darstellung eines virtuellen Werkstücks 10 gezeigt. Das Werkstück 10 liegt dabei als Ein gabe in ein CAD-System vor, also als dreidimensionales Mo dell. Solche dreidimensionalen Modelle werden für Verfahren der additiven Fertigung als Eingangsdaten verwendet. Das Werkstück 10 ist ein gekrümmtes Rohr mit einem rechteckigen Querschnitt.

Bei bekannten Verfahren für die additive Fertigung des Werk stücks wird das Werkstück von einem Computerprogramm, das üb licherweise als „Slicer" bezeichnet wird, in horizontale Schichten gleicher Dicke zerlegt. Aus diesen Schichten werden Bahnen für einen Druckkopf eines 3D-Druckers, also einer Vor richtung für die additive Fertigung, errechnet, entlang derer der Druckkopf bei der Fertigung bewegt wird. Diese Bahnen um fassen solche Pfade, bei denen kein Rohmaterial aufgebracht wird und solche Pfade, bei denen Rohmaterial aufgebracht wird und somit das Werkstück aufgebaut wird. Die ermittelten Pfade und weitere Steuerinformationen werden in eine Steuerungsda tei ausgegeben, die von einem 3D-Drucker gelesen werden kann, oder direkt an den 3D-Drucker übermittelt. Eine solche Steue rungsdatei hat üblicherweise ein Format der Numerischen Steu erungen (NC, CNC) wie beispielsweise gcode. Der Druckkopf ist dabei eine Vorrichtung, in die Rohmaterial, beispielsweise PLA oder PA oder PETG, eingebracht und wenigs tens teilweise aufgeschmolzen wird. In vielen Fällen, aber nicht zwingend, wird das Rohmaterial als Filament einge bracht. Mittels einer Düse kann der Druckkopf Materialbahnen aus dem geschmolzenen Rohmaterial auf das Substrat 11 oder vorhandene Teile des Werkstücks aufdrucken.

Das Substrat 11 ist eine Plattform, auf der das Werkstück er zeugt wird und die das Werkstück 10 bis zur Fertigstellung trägt.

Während manche 3D-Drucker bei der Erstellung des Werkstücks ausschließlich den Druckkopf bewegen, wird bei anderen Typen von 3D-Druckern auch das Substrat 11 bewegt. Daher umfasst die Bezeichnung „Bahnen für den Druckkopf" hierin stets „Bah nen für den Druckkopf und/oder das Substrat 11". Es handelt sich also bei allen Pfaden stets um Bewegungen des Druckkopfs relativ zum Werkstück, die entweder durch Bewegungen und/oder Drehungen des Druckkopfs oder des Substrats 11 oder beider bewirkt werden.

Beim Druck des Werkstücks 10 in einem herkömmlichen Verfahren werden für alle Bereiche des Werkstücks, die nicht nahezu senkrecht stehen, Stützstrukturen erzeugt. Diese sind umfang reich, benötigen Rohmaterial und liegen teilweise im Werk stück 10. Sie benötigen erheblich Zeit bei der Erzeugung und bei der Entfernung nach der Fertigstellung des Werkstücks 10. Eine Verbesserung stellt der fünfachsige Druck dar. Bei die sem kann das Werkstück und/oder der Druckkopf gedreht werden.

Eine entsprechende Vorrichtung ist in Figur 2 schematisch und ausschnittsweise dargestellt. Eine erste Positioniereinrich tung 13 trägt den Druckkopf 12. Die erste Positioniereinrich tung 13 dient der Positionierung des Druckkopfs in allen Raumrichtungen X, Y und Z. Eine zweite Positioniereinrichtung 14 trägt das Substrat 11. Die zweite Positioniereinrichtung 14 dient der Drehung des Substrats 11. Das Substrat 11 trägt in Figur 2 das teilweise fertiggestellte Werkstück 10.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der 3D-Drucker ausgestaltet zur Drehung des Substrats. Dabei wird das Substrat 11 bei der Fertigung des Werkstücks 10 stets so gedreht, dass die fol gende Schicht weitgehend horizontal vom Druckkopf aufgebracht wird. Das Werkstück 10 wird in diesem Beispiel azimutal ge fertigt, d.h. der Rohrachse folgend. Ein Teil der Material bahnen 20, die der Druckkopf in den Wänden des Werkstücks 10 erzeugen muss, ist in dem Fertigungsschema der Figur 3 abge bildet.

Die in Figur 3 gezeigten Materialbahnen 20 lassen erkennen, dass die Schichtdicke des Rohmaterials, das entlang der Mate rialbahnen 20 abgelegt werden muss, nicht gleichbleibend ist. Das steht im Gegensatz zu den derzeit üblichen Verfahren im 3D-Druck, bei denen alle Werkstücke in gleichbleibend dicke Schichten zerlegt werden. Dabei kann sich die Dicke einer Schicht von der Dicke einer anderen Schicht unterscheiden. Aber innerhalb einer Schicht ist die benötigte Dicke an Roh material konstant. Hier jedoch ändert sich die benötigte Di cke des Rohmaterials innerhalb einer Schicht. Daher muss auch das Computerprogramm, das die Steuerungsinformationen für den Druck erzeugt, gegenüber üblichen Slicern verändert werden.

Das Computerprogramm muss bei der Ermittlung der Materialbah nen 20 und der Erstellung der Steuerungsdatei die möglichen Drehungen eines fünfachsigen 3D-Druckers berücksichtigen. Für eine beispielhafte Materialbahn 21 wird ein Ausgangs- und ein Zielpunkt 22, 23 bestimmt, die Anfang und Ende der Material bahn 21 darstellen. Weiterhin ermittelt das Computerprogramm einen Anfangswert für den Volumenstrom für das Rohmaterial. Der Anfangswert für den Volumenstrom liegt am Ausgangspunkt 22 der Materialbahn 21 vor. Der Anfangswert kann dem Endwert für den Volumenstrom am Zielpunkt einer direkt vorausgegange nen Materialbahn 24 entsprechen. Weiterhin ermittelt das Com puterprogramm einen Endwert für den Volumenstrom für das Roh- material. Der Endwert für den Volumenstrom liegt am Zielpunkt 23 der Materialbahn 21 vor.

Je nach Lage der Materialbahn 20 in Bezug auf darunter lie gende Materialbahnen 20 können der Anfangswert und der End wert für den Volumenstrom gleich oder unterschiedlich sein. Bei gleichem Anfangs- und Endwert können sich diese Werte von jenen von anderen Materialbahnen 20 unterscheiden. Der Volu menstrom wird dann vom Computerprogramm als fester Wert in den jeweiligen Satz der Steuerungsdatei übernommen. Der 3D- Drucker kann den Volumenstrom bei der Erzeugung der Material bahn 20 dann entsprechend dem geforderten Wert einstellen, indem die Zufuhr des Rohmaterials, beispielsweise der Vor schub des Filaments entsprechend eingestellt wird.

Sind Anfangswert und Endwert für den Volumenstrom unter schiedlich, dann ist der Volumenstrom über den Verlauf der Materialbahn 21 hinweg nicht konstant. Das ist beispielsweise bei der Materialbahn 21 der Figur 3 der Fall. Hier verläuft die Materialbahn 21 radial von der Innenseite der Krümmung des Werkstücks 10 auf die Außenseite. Ein konstanter Wert für den Volumenstrom des Rohmaterials führt hier zu einem Materi alüberschuss auf der Innenseite und/oder einem Materialmangel auf der Außenseite. Beides führt zu einer verminderten Werk stückqualität. Ein Materialmangel bewirkt dabei eine verrin gerte Festigkeit des Materials, während ein Materialüber schuss nachteilig zu geometrischen Abweichungen führt.

Bei einem 3D-Druck mit einem unverstärkten, thermoplastischen Material, wie zum Beispiel PLA, besteht prinzipiell auch die Möglichkeit, die Außenbereiche der Krümmung des Werkstücks in mehreren Lagen zu drucken. Dies kann aber aus Gründen der Ma terialqualität unerwünscht sein. Wird zusätzlich zum thermo plastischen Material mit einem nicht-schmelzbaren Inhalt ge druckt, beispielsweise einer Kevlar-Faser, dann ist ein Druck mit einer vermehrten Schichtenzahl noch nachteiliger, da der Kraftfluss in der Faser durch die Stückelung unterbrochen wird und die mechanische Beanspruchbarkeit des Bauteils dadurch herabgesetzt wird. Der Treppenstufeneffekt sorgt an solchen Stellen für zusätzliche Makroporen, die die mechani schen Eigenschaften weiter verschlechtern.

Vorteilhaft werden daher der passende ermittelte Anfangs- und Endwert für den Volumenstrom in die Steuerungsdatei einge fügt. Weiterhin wird der Steuerungsdatei ein Code zugefügt, der den Verlauf des Volumenstroms zwischen dem Anfangs- und dem Endwert symbolisiert. Der Code steht beispielsweise für einen Typ von polynomialem Verlauf, im einfachsten Fall also einem linearen Verlauf.

Figur 4 zeigt einen beispielhaften linearen Verlauf 31 des Volumenstroms zwischen beispielhaften Anfangs- und Endwerten für die Materialbahn 21. Auf der X-Achse ist dabei der Anteil der bereits abgefahrenen Materialbahn 21 aufgetragen, Figur 3 zeigt also nicht die Lage der Bahn im Raum. Daher liegt der Anfang der Materialbahn 21 bei x = 0 % und das Ende bei x = 100 %. Ein weiterer Verlauf 32 ist der Volumenstrom für eine zweite Materialbahn 25, die an die Materialbahn 21 an schließt. Während sich der Volumenstrom für die Materialbahn 21 über die Wegstrecke hinweg erhöht, da diese Materialbahn 21 von der Innen- zur Außenseite der Krümmung des Werkstücks verläuft, ist die Lage für die Materialbahn 25 umgekehrt.

Ein weiterer in dem Werkstück 10 nicht verwendeter, aber mög licher Verlauf 33 zeigt, dass der Verlauf des Volumenstroms nicht linear sein muss, sondern auch beispielsweise quadra tisch sein kann. Dabei kann auch der Wertebereich zwischen dem Anfangs- und dem Endwert zwischendurch verlassen werden.

Die Steuerungsinformationen in Form einer gcode-Datei können beispielsweise so aussehen, wenn gemäß dem Stand der Technik eine feste Materialmenge pro aufgebrachter Materialstrecke verwendet wird:

Gl X202.845 Y204.297 E32.94445 Gl X210.381 Y204.297 E33.06977 Gl X210.381 Y205.961 E33.09744 Gl XI89.619 Y205.961 E33.44272

Der E-Wert gibt hierbei die zu verwendende Materialmenge als kumulativen Wert an. Wird jedoch eine über die Bahn hinweg linear veränderliche Materialmenge angefordert, könnte eine entsprechende Steuerungsinformation erzeugt werden und an den 3D-Drucker gegeben werden. Dabei wird folgender lineare Ver lauf verwendet

Dabei bezeichnet p den Anteil an der Bahn, es gilt also 0 <= p <= 1. V(p = 0) ist der Volumenstrom bei p = 0, also am Startpunkt der Bahn, m ist die Steigung des linearen Ver laufs, hat also die Einheit eines Volumenstroms und muss ent sprechend berechnet werden.

Dem entsprechende Steuercodes könnten beispielsweise so aus- sehen:

NO POLY Gl X202.845 Y204.297 PO[E(p)] = [[E _Ende , Polynomkoef fizient]

NI0 POLY Gl X210.381 Y204.297 PO[E(p)] = [[E _Ende , Polynomkoef fizient]

N20 POLY Gl X210.381 Y205.961 PO[E(p)] = [[E _Ende , Polynomkoef fizient]

N30 POLY Gl XI89.619 Y205.961 PO[E(p)] = [[E _Ende , Polynomkoef fizient]

Die lineare Funktion wird durch ein Polynom 1. Grades defi niert, dessen Syntax oben beschrieben ist. Die Steigung der Funktion, die in der Steuercodes als Polynomkoeffizient be zeichnet ist, wird aus dem Anfangsvolumenstrom (p = 0%) und dem Endvolumenstrom E _Ende (p = 100%) berechnet. Zwischen diesen beiden Volumenströmen interpoliert die Steuerung über die Bahnlänge hinweg linear alle Zwischen-Extrusions- Volumenströme . Bei aneinander anschließenden Bahnen ent- spricht der Anfangsvolumenstrom dabei dem Endvolumenstrom der vorherigen Bahn, wodurch letztlich nur der Endvolumenstrom und der Grad des Polynoms vorgegeben werden muss. Der wird analog zu den bisher bekannten Mechanismen berechnet. eine Angabe eines höheren polynomialen Verlaufs sind weitere Parameter notwendig, die in analoger Weise von dem Computer programm der Steuerungsinformation hinzugefügt werden. Bei spielsweise kann eine Polynominterpolation 3. Grades wie folgt definiert werden:

Für eine Angabe eines höheren polynomialen Verlaufs sind wei tere Parameter notwendig, die in analoger Weise von dem Com puterprogramm der Steuerungsinformation hinzugefügt werden.

PO[E(x)] = [[E _Ende/ Polynomkoeffizientl, Polynomkoeffizient2]

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Spindeldreh zahl, also das Maß für die Vorschubgeschwindigkeit des zu verarbeitenden Filaments, also des Rohmaterials, die in Ver bindung mit der Verfahrgeschwindigkeit maßgeblich für den Vo lumenstrom des Rohmaterials ist, anhand einer Funktion be stimmt wird, die sich teilweise anhand einer Formel berechnet und zusätzlich von der Vorrichtung berechnet wird. Die Formel bezieht dabei materialabhängige und vor allem geometrische sowie zeitabhängige Faktoren in die Berechnung der Spindel drehzahl ein.

Die Lösung des Problems besteht darin, dass zuerst ein kon stanter, materialabhängiger Faktor experimentell bestimmt wird. Dieser ist vor allem vom rheologischen Verhalten, also der Temperatur- und der Viskosität des Polymermaterials ab hängig. Außerdem bezieht er die Düsenweite und - beschaffenheit mit ein. Dann wird ein konstanter, maschinen abhängiger Faktor bestimmt, der die verbaute Mechanik bzw. Übersetzung und Getriebeseite der Maschine berücksichtigt.

Vor allem aber wird ein Faktor aus dem Quotienten des benö- tigten (zeit- und/oder wegabhängigen) Bahnquerschnitts und dem Filamentquerschnitt gebildet.

Dabei sind:

VExtrusion der Volumenstrom des Rohmaterials

Vi _st die aktuelle Bahngeschwindigkeit, d.h. die momentane Ge schwindigkeit des Druckkopfs relativ zum Werkstück oder Sub strat

A _ßahn der Querschnitt der Materialbahn, also die Breite mal die Höhe

A _Fiiament der Querschnitt des Filaments des Rohmaterials, also für den Druck eine Konstante

M _PA 6, _CF 2 _O ein materialabhängiger, aber für den Druck konstanter Wert

S _Skalierung eine maschinenabhängige Konstante

K _korr eine Konstante für weitere relevante Prozessgrößen

Ein entsprechender Ausschnitt aus den Steuerdaten kann dann wie folgt aussehen:

NI0 X-23.13 Z4.81 S=Vist * 0.325 M3 HO.0 N20 Y23.13 Z4.86 S=Vist * 0.322 M3 HO.0

N30 X23.13 Z4.91 S=Vist * 0.319 M3 HO.0

N40 Y-23.12 Z4.97 S=Vist * 0.3305 M3 HO.0 N50 Y23.13 Z5.05 S=Vist * 0.344 M3 HO.0

N60 X23.13 Z5.08 S=Vist * 0.325 M3 HO.0

Eine analoge Darstellung in Polynomschreibweise ist: PO[S(x)] = [[0.325, l]*V _ist M3 HO.0

Diese Angaben bedeuten, dass eine Polynomfunktion 1. Grades, also lineare Interpolation des Materialvolumenstromes bis zum Endwert 0.325 unter Beachtung der tatsächlichen Ist- Geschwindigkeit verwendet werden soll. Dabei ändert sich die Ist-Geschwindigkeit wie beschrieben aufgrund von Beschleuni gungsvorgängen und wird nicht als konstant angenommen.

Eine Kette von mehreren Sätzen der Steuercodes könnte also beispielsweise so aussehen:

NI0 X-23.13 Z4.81 PO[S(x)] = [[0, 0]*Vist M3 HO.0 #Startposi- tion

NI0 X-23.13 Z4.81 PO[S(x)] = [[0.325, 0]* Vist M3 HO.0 N20 Y23.13 Z4.86 PO[S(x)] = [[0.322, 0.23]* Vist M3 HO.0

N30 X23.13 Z4.91 PO[S(x)] = [[0.319, 0]* Vist M3 HO.0

N40 Y-23.12 Z4.97 PO[S(x)] = [[0.3305, -0.23]* Vist M3 HO.0 N50 Y23.13 Z5.05 PO[S(x)] = [[0.344, 0]* Vist M3 HO.0

N60 X23.13 Z5.08 PO[S(x)] = [[0.325, 0]* Vist M3 HO.0

Hierbei werden lineare Verläufe für den Volumenstrom der Extrusion verwendet. Die linearen Verläufe, bei denen die Steigung m, also der zweite Parameter, m = 0 ist, entsprechen herkömmlichen Verläufen mit einem im Prinzip konstanten Volu menstrom. Allerdings sorgt die Angabe *Vi _st dafür, dass auch bei diesen Steuercodes kein völlig konstanter Volumenstrom verwendet wird, sondern ein von der momentanen, gemessenen Geschwindigkeit des Druckkopfs abhängiger Volumenstrom.

Bei solchen Steuersätzen, bei denen m von Null verschieden ist (m <> 0), wird die gemessene Geschwindigkeit zusätzlich zum polynomialen (hier linearen) Verlauf des Volumenstroms verwendet. Es wird also der Volumenstrom über den Bahnverlauf hinweg linear verändert und zusätzlich an die aktuelle, ge messene Geschwindigkeit angepasst. Bezugszeichenliste

10 Werkstück

11 Substrat

12 Druckkopf

13, 14 Positioniereinrichtung 20, 21 Materialbahn 22 Ausgangspunkt

23 Zielpunkt

31, 32, 33 Verlauf des Volumenstroms

24 vorausgegangene Materialbahn

25 zweite Materialbahn