Der 3D-Druck, auch bekannt unter den Bezeichnungen Additive Fertigung, Additive Manufacturing (AM), Generative Fertigung oder Rapid Prototyping, ist eine umfassende Bezeichnung für alle Fertigungsverfahren, bei dem Material Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Werkstücke erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen, die meist aus einem CAD-System bereitgestellt werden. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Flärtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle.

Bis heute ist das Problem der sicheren Kodierung und späterer Identifizierung eines im 3D-Druck hergestellten Werkstücks ungelöst. Stand der Technik sind Vorschläge, Nanomaterialien oder RFID-Chips in den Werkstoff einzubringen, die technische Realisierung ist jedoch schwierig. Zusätzlich soll der Code durch eine Lackierung hindurch erkannt werden. Die WO 2018/140021 A1 beschreibt die Einbringung einer unsichtbaren Kodierung in das Werkstück, die zur Identifizierung des Werkstücks ausgelesen werden kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur sicheren Kodierung und späteren Identifizierung eines im 3D-Druck hergestellten Werkstücks bereitzustellen. Des Weiteren soll die Kodierung möglichst durch eine Lackierung hindurch erkannt werden können.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein 3D-Druckverfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Identifizierung eines im 3D- Druckverfahren erzeugten Werkstückes gemäß Anspruch 8.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren angegeben.

Das Verfahren gemäß Anspruch 9 eignet sich insbesondere zur Identifizierung eines in dem 3D-Druckverfahren gemäß Anspruch 1 hergestellten Werkstücks. Die Erfindung schlägt ein 3D-Druckverfahren vor, wobei ein Werkstoff Schicht für Schicht aufgetragen und so ein dreidimensionales Werkstück erzeugt wird, wobei während oder nach dem Auftrag des Werkstoffes ein Werkstoffparameter variiert wird, so dass die Variation des Werkstoffparameters in dem erzeugten Werkstück ein Muster ausbildet. Durch eine Anpassung des Algorithmus beim Drucken oder durch Nachbearbeitung mit Laserlicht ist es zum Beispiel möglich, die Dichte oder andere physikalische Werkstoffparamater gezielt zu beeinflussen, so dass geeignete Materialkonstanten gezielt zur Erfassung mit einem entsprechenden bildgebenden Verfahren beeinflusst werden. Für das erfindungsgemäße 3D- Druckverfahren kann herkömmliche 3D-Drucktechnologie eingesetzt werden, wobei zur Variation des Werkstoffparameters während des Auftrags des Werkstoffes ein Prozessparameter eines zur Erzeugung des Werkstoffverbundes verwendeten physikalischen oder chemischen Härtungs- oder Schmelzprozesses variiert wird. Hierzu kann z.B. die Computersteuerung des verwendeten 3D- Druckers den Druckkopf geeignet ansteuern. Ein besonderer Vorteil ist, dass für den Druck des Werkstücks ein einheitlicher Werkstoff verwendet werden kann. Mit anderen Werten besteht das fertige Werkstück einheitlich aus einem einzigen Werkstoff. Für die Erzeugung der Kodierung muss kein zweiter Werkstoff verwendet werden, wodurch der Druckvorgang erheblich verkompliziert würde.

Vorzugsweise bildet das Muster eine Kodierung zur Markierung des Werkstückes.

Der Werkstoffparameter sollte zwischen zwei vorgegeben Werten oder Wertebereichen variiert werden, so dass die Kodierung ein Binärcode, insbesondere ein zweidimensionaler Binärcode, vorzugsweise ein QR-Code ist. Die Auslesung eines solchen Codes ist z.B. mit Strahlung im Bereich von 50 GHz- 2 THz, mit thermometrischer Analyse, der Magnetometrie und/oder anderen bildgebenden Verfahren möglich.

Somit ist es beispielsweise möglich, einen 2D-QR-Codes Pixel im Bereich von ca. 0.1-1 mm einzubringen, so dass auf einen Quadratzentimeter prinzipiell mehr als 256 Bit-Auflösung erreicht werden könnten. Die Informationstiefe der Kodierung kann über die Strukturierung des Musters variabel eingestellt werden. Dadurch ist eine eindeutige Zuordnung des Werkstücks mit der Fertigung und zu dem Hersteller möglich. Der ausgelesene Code kann also beispielsweise zum Zwecke der Authentifizierung mit einem auf einem vertrauenswürdigen Server abgelegten Datensatz abgeglichen werden.

Aber auch eine eingeprägte 3-Bit-Codierung eignet sich bereits beispielsweise für Anwendungen im Kunststoffdruck. Hierbei werden acht baugleiche Werkstücke gleichzeitig in einem Vorgang gefertigt. Nach der Fertigung werden diese unsortiert in einen Sammelbehälter oder ähnliches befördert. Kommt es nun zur Qualitätsschwankungen bei den Werkstücken, liegt dies in der Regel am 3D- Drucker. Über die 3-Bit-Codierung lässt sich jedem Werkstück eine Position im Fertigungsprozess zuordnen, sodass die Quelle der Qualitätsschwankungen sehr schnell ermittelt und der Fehler behoben werden kann. Für eine 3-Bit-Codierung reichen bereits Pixelgrößen von ca. 1 -2 mm aus. Als weitere Ausführung kann in dieser Kodierung eine verschlüsselte Information enthalten sein. Auf diese Weise kann ein Plagiatsschutz oder die Wahrung von Lizenzrechten gesichert werden.

Es ist zudem von Vorteil, wenn die Bereiche, in denen der Werkstoffparameter variiert wird, eine polyedrische, konische oder zylinderförmige Struktur aufweisen. Je nach Anwendungsfall kann durch die geeignete Formgebung der variierten Bereiche besonders einfach ein Muster erstellt und/oder erfasst werden, das den jeweiligen Anforderungen gerecht wird.

Das Muster wird bevorzugt unterhalb einer äußeren Oberfläche des Werkstücks erzeugt, so dass es von außen nicht sichtbar ist. Das Muster kann insbesondere unterhalb einer Schutzbeschichtung, z.B. unter einer Lackierung des Werkstücks erzeugt werden. Durch diese Maßnahme kann das Muster nicht direkt eingesehen werden. Eine mögliche Fälschung oder Nachahmung wird hierdurch weiter erschwert. Der variierte Werkstoffparameter kann die Dichte, der Brechungsindex, die Suszeptibilität und/oder die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes sein. Im Gegensatz zu anderen Ansätzen der Mustererstellung ist es durch eine dieser Maßnahmen möglich, die Muster kosten- und zeiteffizient und wenig fehleranfällig in das Werkstück einzubringen. Erfindungsgemäß wird zur Identifizierung eines im 3D-Druckverfahren erzeugten Werkstückes mittels eines ortsauf lösenden Verfahrens unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung das durch die räumliche Variation des Werkstoffparameters im Werkstück erzeugte Muster, das eine Kodierung bildet, erfasst und daraus die Identität des Werkstückes abgeleitet. Durch die Verwendung der elektromagnetischen Strahlung kann auch ein verdecktes Muster erfasst werden. Die Absorption und/oder Reflektion bzw. Streuung der elektromagnetischen Strahlung wird durch die Variation des Werkstoffparameters beeinflusst. Auf diese Weise entsteht ein Kontrast, der zum Auslesen des Musters nutzbar ist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Erfassung des Musters mittels elektromagnetischer Strahlung bei einer Frequenz von höher als 250 GFIz durchgeführt wird. Flierdurch lässt sich eine für die meisten Anwendungsfälle ausreichend hohe Auflösung erreichen. Außerdem zeigt sich, dass bei den meisten Kunststoffmaterialien die im 3D-Druck üblich sind, durch die Variation des Werkstoffparameters ein Kontrast erzeugt werden kann, der bei Frequenzen oberhalb von 250 GFIz gut zum Auslesen des Musters geeignet ist. Generell sind erfindungsgemäß alle Arten der Spektroskopie anwendbar, sofern Sie für den jeweiligen Einsatzzweck geeignet sind. Das Verfahren kann mit Vorteil Terahertz-Spektroskopie, Thermometrie oder Magnetometrie sein, je nachdem welcher Werkstoffparameter variiert wird und welche Spektroskopiemethode auf die Parametervariation anspricht.

Die Erfassung des Musters kann mit Vorteil mittels einer gängigen, kommerziell verfügbaren Terahertz-Kamera oder mittels einer Thermokamera erfolgen. Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Terahertz-Kamera bei der Erfassung des Musters in einem Fland-Scanner integriert ist und per Fland durch einen Benutzer bedient wird. Flierdurch ist eine besonders flexible Überprüfung des Werkstücks möglich.

Eine zusätzliche Weiterbildung sieht vor, dass das Muster und/oder die aus dem Muster gebildete Kodierung mit einem zur Authentifizierung des Werkstücks auf einem vertrauenswürdigen Server abgelegten Datensatz abgeglichen werden. Beispielsweise kann jedem Werkstück bei der Fierstellung eine Kodierung zugeordnet werden. Somit kann mit dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung ermittelt werden, ob es sich um ein Original handelt oder um ein Plagiat. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein 3D-gedrucktes Werkstück mit eingebrachten Streifen, die sich hinsichtlich der Dichte von dem übrigen

Material des Werkstücks unterscheiden;

Fig. 2 Aufnahmen des Werkstückes mittels einer

Terahertz-Kamera;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der

Identifizierung eines Werkstückes mittels eines portablen Gerätes.

In Figur 1 ist ein Werkstück mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. In das Werkstück 1 ist während des Fierstellungsverfahrens ein Muster 2 in Form von mehreren streifenförmigen Abschnitten 2a eingebracht. Die streifenförmigen Abschnitte 2a bestehen aus dem gleichen Werkstoff wie das übrige Werkstück 1 , weisen allerdings eine andere Dichte auf. Die Dichte variiert im Prozentbereich. Die Breite der streifenförmigen Abschnitte 2a liegt in diesem Ausführungsbeispiel im Millimeterbereich. Figur 2 zeigt Bilder eines Terahertz-Scanners in Transmission (links) und in Reflexion (rechts), in denen die in das Werkstück 1 eingebrachten streifenförmigen Abschnitte 2 deutlich zu erkennen sind. Durch solche streifenförmige Abschnitte 2a kann eine binäre Kodierung in Form eines Barcodes erzeugt werden. Figur 3 zeigt schematisch ein quaderförmiges Werkstück 1 mit erfindungsgemäß unter der Oberfläche eingebrachtem Muster 2 in Form eines QR-Code 2b. Der QR-Code kann mittels eines portablen Fland-Scanners 3 (z.B. einer Thermo- Kamera mit integrierter Bildverarbeitung) ausgelesen werden. Somit ist eine flexible Zuordnung und Authentifizierung des Werkstücks 1 möglich. Je nach Anwendungsfall ist es auch möglich mehrere 2D-Codes in verschiedenen Ebenen im Werkstück 1 vorzusehen. Flierdurch lässt sich Qualität der Codierung weiter verstärken.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Dichte in den streifenförmigen Abschnitten 2 in Figur 1 durch Anpassung des Algorithmus beim 3D-Drucken oder durch Nachbearbeitung mit Laserlicht manipuliert werden. Es ist auch möglich, einen anderen Werkstoff parameter an oder knapp unter der Oberfläche des Werkstücks gezielt zu beeinflussen, so dass die Werkstoffparameter Dichte, Brechungsindex und/oder Wärmeleitfähigkeit gezielt zur Erfassung mit entsprechender Spektroskopie verwendet werden können.

Sinnvoll ist das Einbringen eines QR-Codes mit Pixeln mit Durchmessern im Bereich von ca. 0.1 bis 1 mm, so dass auf einem Quadratzentimeter prinzipiell mehr als 256 Bit kodiert werden können. Eine Auslösung von ca. 0,5 mm ist mit einer Hochfrequenzstrahlung von 400 GHz oder rein optisch 0,5-1 THz zu erreichen. Hierzu bieten sich unterschiedliche Ansätze an: Beispielsweise ein bei der entsprechenden Frequenz arbeitendes Phased-Array aus Antennen mit niedriger Frequenz und Bewegung einer Strahlkeule zum Abscannen des Musters oder ein gepulstes Terahertz-System mit hoher Frequenz.

Die Informationstiefe der Kodierung kann über die Strukturierung variabel eingestellt werden. Dadurch ist eine eindeutige Identifizierung des Werkstücks 1 , z.B. zur Zuordnung der Fertigungsdaten und des Herstellers möglich. Die Kodierung kann eine verschlüsselte Information enthalten. Auf diese Weise können ein Plagiatsschutz oder die Wahrung von Lizenzrechten realisiert werden. Ein Anwendungsfall ist hier insbesondere die Ersatzteilversorgung. Für andere Anwendungen kann aber bereits eine 3 Bit-Kodierung von Nutzen sein.

Die spektroskopische bzw. bildgebende Auslesung eines Codes ist z.B. mit Terahertz-Strahlung im Bereich von 50 GHz bis 2THz (1 THz = 300 pm Wellenlänge), mit thermometrischer Analyse, mit Magnetometrie oder anderen spektroskopischen Verfahren möglich.

In den gängigen 3D-Druckverfahren ist eine Unterbrechung des Druckprozesses, z.B. zur Einbringung von RFID-Chips o.ä., nicht möglich, da unter Schutzgasatmosphäre gearbeitet werden muss. Auch die Kombination verschiedener Materialien im 3D-Druckprozess gestaltet sich als sehr schwierig.

Erfindungsgemäß wird stattdessen der Algorithmus des Druckverfahrens beim Drucken angepasst, d.h. , beispielsweise wird die Dichte des gedruckten Materials auf einer Skala im Sub-Millimeterbereich gezielt beeinflusst. Typischerweise erreicht man im Zielzustand Materialdichten von bis zu 99%, dieser Parameter kann durch den gezielten Eingriff um einige Prozent oder mehr reduziert werden, im Extremfall wird ein Pixel nicht gedruckt, sondern verbleibt als Rohmaterial eingeschlossen im Werkstück 1.

Dadurch werden Materialeigenschaften wie der Brechungsindex, die Reflektivität, die magneto-optischen Eigenschaften und/oder die Wärmeleitfähigkeit im Prozentbereich verändert. Dies ist ausreichend, um z.B. durch einen üblichen Terahertz-Scanner in Reflexion den eingebrachten Code auszulesen (typischerweise ist 1 %-Brechungsindexänderung bei der Reflexion bei Verwendung von Teraherzt-Strahlung nachweisbar).

Alternativ kann durch Nachbehandlung der Oberfläche oder der Schicht unter der Deckschicht eine Kodierung eingebracht werden, z.B. durch Zwei-Photonen- absorption im Fokus eines Laserstrahles im Werkstoff. Die zur Erfassung verwendete elektromagnetische Strahlung im Terahertz- Bereich kann zwar nicht in metallische Materialien eindringen (Skin Effekt, Eindringtiefe nur im pm-Bereich), jedoch kann die Dichtevariation oder das gezielte Einbringen von Fehlstellen auch an der obersten Deckschicht aufgebracht werden. In der Regel wird auf die Bauteile dann eine Lackierung aufgebracht, die von Terahertz-Strahlung durchdrungen wird (z.B. nicht metallische Lacke).

In Kunststoffmaterialien dringt die Terahertz-Strahlung ein, daher kann der Code hier auch in der Tiefe eingebracht werden.

Es ist auch möglich eine Analyse ohne ein reales Bild vorzunehmen. D.h., dass die Einstrahlung mit einem breitbandigen Terahertz-Signal erfolgt und die Auswertung auf Basis des direkten Streumustern der unterschiedlichen Frequenzen erfolgt. Das Streumuster hängt stark von der Frequenz ab und kann mit bekannten Informationen über den hinterlegten Code mathematisch korreliert werden. Die Pixel des Terahertz-Scanners müssen hierzu frequenzsensitiv sein oder bei einer vorbestimmten Anzahl verschiedener Frequenzen abgefragt werden können. Hierbei sind optische Systeme, die im Teraherztbereich liegen, (>0,5 THz) klassischen Hochfrequenzsystemen (<0,5 THz) überlegen, weil die Breitbandigkeit zusätzlich zur hohen Frequenz (Auflösung) genutzt wird und informationstheoretisch bessere Ergebnisse erzielt werden, weil die Breitbandigkeit in bekannten Systemen gar nicht ausgenutzt wird. Auch ein reines 2 THz-Signal würde für eine Kamera funktionieren.

Es ist auch möglich einen kohärenten Terahertz-Detektor einzusetzen. Ein solcher Detektor bildet eine gute Alternative zu den gepulsten Systemen für eine Kamera.

Bezugszeichenliste:

1 Werkstück

2 Muster

2a streifenförmiger Abschnitt 2b QR-Code

3 Hand-Scanner