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Patent Searching and Data


Title:
3D-PRINTING DEVICE AND PROCESS FOR PRODUCING OBJECTS WITH INCREASED PRINT QUALITY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/073717
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention concerns a 3D-printing device which is intended for producing objects in a 3D-printing process and has at least one discharge device, which is designed to apply one or more printing compounds to a surface, layer by layer, in the form of drops and/or continuous strands. The 3D-printing device also has at least one measuring device, which is designed to determine in a contactless manner the topography of at least a partial region of the surface to be printed. Geometrical deviations on the surface can be detected before printing compound is applied and can be corrected by the distance of the drops and/or strands from one another being controlled on the basis of the topography determined. Further aspects of the invention concern a process for producing objects by using such a 3D-printing device.

Inventors:
BAUMANN CHRISTIAN GEORG (DE)
WIMMER SEBASTIAN (DE)
AGER DAG (DE)
Application Number:
PCT/EP2019/077812
Publication Date:
April 22, 2021
Filing Date:
October 14, 2019
Export Citation:
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Assignee:
WACKER CHEMIE AG (DE)
International Classes:
B29C64/106; B29C64/393; B33Y50/02
Domestic Patent References:
WO2018072809A12018-04-26
WO2017020971A12017-02-09
WO2018036640A12018-03-01
WO2018153467A12018-08-30
WO2019185135A12019-10-03
WO2017081028A12017-05-18
WO2017089496A12017-06-01
WO2017121733A12017-07-20
WO2009027133A22009-03-05
WO2016071241A12016-05-12
Foreign References:
US20180169953A12018-06-21
US20190299536A12019-10-03
US20150266242A12015-09-24
US9205691B12015-12-08
US20150352781A12015-12-10
US20150352872A12015-12-10
DE102011108799A12013-01-31
DE102008000156A12009-07-30
DE102008043316A12010-05-06
DE102009002231A12010-10-07
DE102009027486A12011-01-13
DE102010043149A12012-05-03
EP0122008A11984-10-17
EP0561919A11993-09-29
EP0398701A21990-11-22
EP0146307A21985-06-26
EP0358452A21990-03-14
EP0561893A11993-09-29
EP1050538A22000-11-08
EP1803728A12007-07-04
Attorney, Agent or Firm:
BITTERLICH, Bianca et al. (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. 3D-Druckvorrichtung zur Herstellung von Objekten im 3D- Druckverfahren umfassend

- wenigstens eine Austragevorrichtung, die dazu eingerich tet ist, eine oder mehrere Druckmassen in Form von Tropfen und/oder kontinuierlichen Strängen schichtweise auf eine Oberfläche aufzubringen, und

- wenigstens eine Messvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche berührungslos zu bestimmen, und

- wenigstens eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Abstand der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie der Oberfläche zu steuern.

2. 3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Messvor richtung dazu eingerichtet ist, die räumliche Position und Lage wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche berührungslos zu bestimmen und die Steuerein richtung dazu eingerichtet ist, den Abstand der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Position und Lage der Oberfläche zu steuern.

3. 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Messvorrichtung wenigstens einen Laser und wenigstens einen Sensor umfasst, die zusammen dazu ein gerichtet sind, den wenigstens einen Teilbereich der Ober fläche mittels Lasertriangulation zu vermessen.

4. 3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der Laser dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 380 nm oder mehr und 570 nm oder weniger zu erzeugen. 5. 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei der Laser dazu eingerichtet ist, mehrere Messpunkte in einer Reihe gleichzeitig zu erfassen.

6. 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Messvorrichtung dazu eingerichtet ist, das Material des wenigstens eines Teilbereichs der Oberfläche zu bestimmen.

7. 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei es sich bei der Oberfläche um die Oberfläche einer Trägerplatte, um die Oberfläche zuvor aufgebrachter Druck masse, die Oberfläche eines Fremdbauteil oder einer Kombi nation davon handelt.

8. 3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei das Fremdbau teil aus einem oder mehreren der folgenden Materialien besteht: Textilien, Metall, Kunststoff, Kautschuk, Keramik, Glas, Beton, Holz, Leder und Papier.

9. 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die 3D-Druckvorrichtung eine Kalibrierstation um fasst, die dazu eingerichtet ist, die 3D-Druckvorrichtung zu kalibrieren.

10. 3D-Druckvorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Kalibrier station eine oder mehrere Messvorrichtungen aufweist, die dazu eingerichtet sind Prozessparameter und/oder Objekt eigenschaften eines Testobjekts zu bestimmen.

11. Verfahren zum Herstellen eines Objekts durch schichtweises Aufbringen von einer oder mehreren Druckmassen in Form von Tropfen und/oder kontinuierlichen Strängen auf eine Ober fläche unter Einsatz einer 3D-Druckvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend

- berührungslose Bestimmung der Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche, und

- Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topo grafie.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Verfahren folgendes umfasst:

- berührungslose Bestimmung der räumlichen Position und Lage wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche, und

- Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten räum lichen Lage und Position.

13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Bestimmung der Topografie die Identifizierung von uner wünschten Unebenheiten der Oberfläche umfasst und die Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge den Ausgleich dieser Unebenheiten umfasst.

14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Bestimmung der räumlichen Position und Lage die Identi fizierung von unerwünschten Verschiebungen und Schräglagen umfasst und Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge den Ausgleich dieser Verschiebungen und Schräg lagen umfasst.

15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Tropfenvolumen und/oder die Stranggeometrie konstant gehalten wird.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die berührungslose Bestimmung der Topographie und/oder der räumlichen Position und Lage wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche mittels Lasertriangulation erfolgt.

17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Druckmassen eine oder mehrere vernetzbare Silicon kautschukzusammensetzungen umfassen.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei wenigstens eine Siliconkautschukzusammensetzung eine Viskosität von 10 Pa-s oder mehr, bevorzugt 40 Pa-s oder mehr, besonders bevorzugt 100 Pa-s oder mehr, ganz besonders bevorzugt 200 Pa-s oder mehr, aufweist, jeweils gemessen bei 25°C und einer Scherrate von 0,5 s_1.

19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Druckmassen eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen: Silicongele, Siliconharze, Homopolymere oder Copolymere aus Monomeren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylaten, Olefinen, Epoxiden, Isocyanaten oder Nitrilen, sowie Polymermischungen umfassend eines oder mehrere der vorgenannten Polymere.

20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei die Druckmassen ein oder mehrere Stützmaterialien umfassen, die nach Fertigstellung des Objekts wieder entfernt werden. 21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei das

Verfahren folgende Schritte vor Auftragung der Druckmassen umfasst: - Bereitstellen des Objekts in digitaler Form, wobei das digitale Objekt aus einzelnen Schichten besteht,

- Erstellung von zweidimensionalen Bildern jeder einzelnen Schicht des Objekts, wobei die zweidimensionalen Bilder jeweils aus einzelnen Pixeln bestehen, - Aufteilung der zweidimensionalen Bilder in Druckbereiche mit identischem Tropfenabstand oder identischem Strang abstand, wobei die Größe der Druckbereiche in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie der zu bedruckenden Ober fläche bestimmt wird.

Description:
3D-Druckvorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Objekten mit erhöhter Druckqualität

Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung zur Herstellung von Objekten im 3D-Druckverfahren, welche wenigstens eine Aus tragevorrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere Druckmassen in Form von Tropfen und/oder kontinuierli chen Strängen schichtweise auf eine Oberfläche aufzubringen. Weiterhin weist die 3D-Druckvorrichtung wenigstens eine Mess vorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche berührungslos zu bestimmen. Geometrische Abweichungen auf der Oberfläche können dabei vor der Auftragung von Druckmasse erkannt werden und durch Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie korrigiert werden. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Herstellen von Objekten unter Ein satz einer derartigen 3D-Druckvorrichtung.

Stand der Technik

Beim 3D-Druck werden dreidimensionale Objekte schichtweise auf gebaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Materialien nach vorgegebenen Geometrien aus dem CAD (Computer Aided Design). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Erstarrungs prozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramik und Metalle. 3D-Drucker werden in der Industrie, der Forschung und auch im Konsumentenbereich eingesetzt. Der 3D-Druck ist ein generatives Fertigungsver fahren und wird auch als additive Fertigung bezeichnet. 3D-Drucker dienen zunächst vor allem der Herstellung von Proto typen und Modellen, sowie der Herstellung von Objekten, von denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden. Wachsende Bedeu tung haben individualisierte Geometrien in Medizin und Sport, aber auch Objekte, die mit anderen Verfahren gar nicht her stellbar sind. Ein Beispiel sind Objekte mit innen liegenden GitterStrukturen .

Gegenüber dem Spritzgussverfahren hat das 3D-Drucken den Vor teil, dass das aufwendige Herstellen von Werkzeugen und Formen entfällt. Gegenüber allen das Material abtragenden Verfahren wie Schneiden und Drehen hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass die Bearbeitung der Urform entfällt und kaum Materialverlust auftritt.

Zur Herstellung eines Objekts wird beispielsweise ein Pulver durch Aufbringen eines Härters selektiv verfestigt, wobei der Härter in einem vom herzustellenden Objekt abhängigen Muster auf das Pulver aufgetragen wird. Weitere Verfahren umfassen das Lasersintern, bei dem nach einem vorgegebenen Muster Pulver durch Aufschmelzen mit einem Laser in der gewünschten Form ver festigt wird, sowie Fused Filament Fabrication (auch: Fused Deposition Modelling), bei dem das Objekt schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff hergestellt wird. Ebenfalls bekannt sind Verfahren, bei denen Druckmasse mittels Tröpfchen dosierung (dem so genannten Jetting) oder kontinuierlichem Extrudieren eines Strangs (beim so genannten Dispens- oder Extrusions-Verfahren) abgeschieden wird und anschließend bei spielsweise durch Einwirkung von UV-Strahlung ausgehärtet oder anderweitig verfestigt wird.

Ein großer Einflussfaktor auf die Qualität von Objekten bei der Herstellung im 3D-Druckverfahren ist eine ungleichmäßige Druck- Oberfläche, die beispielsweise durch ungleichmäßigen Material auftrag, durch Prozessschwankungen, durch Materialschwankungen, durch Maschinenfehler, durch fehlerhafte oder verschobene Bau teile oder sonstige interne und externe Einflüsse hervorge rufen wird.

Im Stand der Technik sind verschiedene Methoden bekannt, um Druckfehler auszugleichen.

US 9,205,691 Bl offenbart ein System zum Kompensieren von Tropfenvolumenvariationen bei Inkjet-3D-Druckern. Die Tropfen werden durch verschiedene Düsen in Säulen aufgebracht. Eine initiale Kalibrierung ermöglicht Höhenunterschiede der Säulen einzelner Düsen untereinander auszugleichen. Dies erfolgt durch entsprechende Einstellung der Düsenparameter. Für diese Kali brierung muss die Herstellung des Objekts jedoch angehalten werden.

US 2015/0352781 Al offenbart ebenfalls ein System zum Kompen sieren von Tropfenvolumenvariationen bei Inkjet-3D-Druckern. Hierbei werden die Tropfensäulen der verschiedenen Düsen direkt miteinander verglichen und Höhenunterschiede in der nächsten Schicht durch Hinzufügen oder Weglassen von einzelnen Voxeln ausgeglichen. Der Ausgleich ist somit auf die kleinsten Tropfengröße und auf die jeweilige Position der Düsen beschränkt.

US 2015/0352872 Al offenbart ein System zum Kompensieren von Druckfehlern bei Inkjet-3D-Drucker. Hierbei werden die Ränder jeder Druckschichten vermessen. Ist der Durchmesser der Druck schicht zu groß, wird der digitale Durchmesser der nächsten Schicht verkleinert. Ist der Durchmesser der Druckschicht zu klein, wird der digitale Durchmesser der nächsten Schicht ver- größert. Der Ausgleich ist somit auf einzelne Schichten be schränkt .

Der Ausgleich von Ungleichmäßigkeiten beliebigen Ausmaßes, bei spielsweise kleiner als ein Voxel oder in beliebiger Position, ist im Stand der Technik nicht bekannt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, eine 3D-Druckvor- richtung und eine 3D-Druckverfahren bereitzustellen, die dazu geeignet sind, ein abbildungsgetreues, maßgerechtes und reproduzierbares Objekt verbesserter Druckqualität zu erzeugen.

Überraschend wurde gefunden, dass die berührungslose Bestimmung der Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedrucken den Oberfläche vorteilhaft ist, um Oberflächenabweichungen während des Druckprozesses zu erkennen, so dass diese im folgenden Materialauftragsprozess berücksichtigt werden können. Insbesondere durch Steuerung des Abstands der aufzutragenden Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie, können unerwünschte Oberflächenab weichungen an beliebiger Position und in beliebiger Größe aus geglichen werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht so die Herstellung von Objekten mit erhöhter Druckqualität.

Abbildungen

Abbildung 1 zeigt ein nicht-erfindungsgemäß gedrucktes Objekt. Abbildung 2 zeigt ein erfindungsgemäß gedrucktes Objekt. Abbildung 3 zeigt Druckbereiche mit verschiedenen Tropfen abständen (A: Druckbereich mit normalen Tropfenabstand, B: Druckbereich mit erhöhtem Tropfenabstand, C: Druckbereich mit reduziertem Tropfenabstand). Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung zur Herstellung von Objekten im 3D-Druckverfahren umfassend

- wenigstens eine Austragevorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere Druckmassen in Form von Tropfen und/oder kontinuierlichen Strängen schichtweise auf eine Oberfläche aufzubringen, und

- wenigstens eine Messvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche berührungslos zu bestimmen, und

- wenigstens eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Abstand der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie der Ober fläche zu steuern.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Objekts durch schichtweises Aufbringen von einer oder mehreren Druckmassen in Form von Tropfen und/oder kontinuierlichen Strängen auf eine Oberfläche unter Einsatz der oben genannten 3D-Druckvorrichtung, umfassend

- berührungslose Bestimmung der Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche, und

- Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topo grafie.

Da die erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung bevorzugt zur Aus führung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, ist die nachfolgende Beschreibung so zu verstehen, dass im Rahmen der 3D-Druckvorrichtung beschriebene Merkmale gleichermaßen für das Verfahren offenbart werden und umgekehrt im Rahmen des Ver fahrens beschriebenen Merkmale gleichermaßen für die 3D- Druckvorrichtung offenbart werden.

Die 3D-Druckvorrichtung umfasst typischerweise eine Basis platte, auf der das Objekt durch Austragen von Druckmasse aus der mindestens einen Austragevorrichtung aufgebaut wird. Basis platte und Austragevorrichtung werden hierbei relativ zueinan der bewegt, wobei Relativbewegungen in allen drei Raumrich tungen X, Y und Z möglich sind. Hierzu kann beispielsweise die Austragevorrichtung derart angeordnet sein, dass diese in X- und Y-Richtung beweglich ist und die Basisplatte kann derart angeordnet sein, dass diese in Z-Richtung beweglich ist. Auch weitere Konfigurationen sind hierbei denkbar, beispielsweise kann die Basisplatte in Y-Richtung beweglich angeordnet werden und die Austragevorrichtung kann derart angeordnet werden, dass diese in X- und Z-Richtung beweglich ist. Alternativ oder zu sätzlich hierzu kann vorgesehen sein, die Basisplatte und/oder die Austragevorrichtung schwenkbar auszugestalten, so dass be liebige Raumanordnungen möglich sind.

Bevorzugt werden die Druckmassen von einer in X, Y, Z- Richtung beweglichen Austragevorrichtung auf eine in X, Y, Z- Richtung bewegliche Basisplatte aufgebracht. Alternativ können die Aus tragevorrichtung und/oder die Basisplatte auch nur in einer und/oder zwei Raumrichtungen und/oder einer Mischform aus allen drei Raumrichtungen bewegt werden. Zusätzlich ist es in einer weiteren Ausführungsvariante möglich eine der beiden Komponen ten unbeweglich auszuführen und nur die zweite Komponente zu bewegen, d.h. entweder ist die Basisplatte beweglich und die Austragevorrichtung ortsfest ausgestaltet oder die Basisplatte ist ortsfest und die Austragevorrichtung ist beweglich ausge staltet. Um mit den ausgetragenen Druckmassen ein Objekt aufzubauen, werden die Druckmassen gemäß einem vorgegebenen Schema auf der Basisplatte abgelegt, wobei beispielsweise eine erste Material schicht ausgebildet wird. Nach dem Ausbilden der ersten Mate rialschicht kann z. B. der Abstand zwischen der Austragevor richtung und der Basisplatte vergrößert und es wird die nächste Materialschicht ausgebracht. Es können weitere Materialschich ten folgen, die jeweils nach einem vorgegebenen Schema abgelegt werden, bis das gewünschte Objekt fertiggestellt ist. Dies wird auch als generative Erzeugung des Objekts bezeichnet.

Das Austragen der Druckmassen erfolgt nach einem Schema, welches aus einer Vorlage abgeleitet wird. Die Vorlage wird mit einer CAD-Software (Computer-Aided Design, rechnerunterstütztes Konstruieren) entworfen oder wird beispielsweise durch drei dimensionales Scannen eines Gegenstands erstellt. Zur Ableitung des Schemas für den Materialaustrag berechnet die Software typischerweise horizontale Schnitte der Vorlage, wobei jeder dieser Schnitte einer oder mehreren Materialschichten ent sprechen kann. Im Anschluss wird berechnet, wie die Druckmassen in der jeweiligen Schicht platziert werden müssen. Hierbei wird berücksichtigt, ob der Austrag der Druckmassen in Form von Voxeln, in Form von Strängen oder in einer Kombination aus Voxeln und Strängen erfolgt.

Gegebenenfalls wird beim Ableiten des Schemas auch das Setzen von Stützmaterial eingeplant. Das Setzen von Stützmaterial kann erforderlich sein, wenn das herzustellende Objekt Hohlräume, Hinterschnitte, überhängende, freitragende oder dünnwandige Teile aufweisen soll, da die Druckmassen nicht frei im Raum schwebend gesetzt werden können. Das Stützmaterial füllt während des Druckprozesses Raumvolumina aus und dient als Basis oder als Gerüst, um darauf die Druckmassen setzen und aushärten zu können. Das Stützmaterial wird nach Beendigung des Druck prozesses wieder entfernt und gibt die Hohlräume, Hinter schnitte sowie überhängenden, freitragenden oder dünnwandigen Partien des Objekts frei. In der Regel wird als Stützmaterial ein von dem Material des zu druckenden Objekts abweichendes Material verwendet, z. B. nicht vernetzendes und nicht kohä- sives Material. Abhängig von der Geometrie des Objekts wird die notwendige Form des Stützmaterials berechnet. Bei der Berech nung der Form des Stützmaterials können verschiedene Strategien eingesetzt werden, um beispielsweise möglichst wenig Stütz material zu verwenden oder um die Maßhaltigkeit des Produktes zu erhöhen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens umfassen die Druckmassen ein oder mehrere Stütz materialien, die nach Fertigstellung des Objekts wieder ent fernt werden.

Wird Stützmaterial eingesetzt, so kann der Druckkopf eine oder mehrere weitere Austragevorrichtungen für das Stützmaterial aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann für das Austragen von Stützmaterial auch ein weiterer Druckkopf mit entsprechen den Austragevorrichtungen vorgesehen sein.

Die Druckmasse kann Masse zur Erzeugung eines dauerhaften Bau teils sein, insbesondere Silicon, oder sie kann Stützmaterial sein, das für temporär erzeugte Teile oder Bereiche benötigt wird, insbesondere in Form von z. B. Polyethylenglycol (PEG) oder Polyvinylalkohol (PVAL). Besonders geeignet sind Stützmaterialien, wie sie in WO 2017/020971 Al, WO 2018/036640 Al, WO 2018/153467 Al und WO 2019/185135 Al beschrieben sind.

Besonders bevorzugt als Stützmaterial sind Zusammensetzungen, enthaltend

(A) wenigstens einen Polyether,

(B) mindestens ein partikuläres rheologisches Additiv, und

(C) optional weitere Zusatzstoffe.

Vorzugsweise wird der Polyether ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyethylenglycol, Polypropylenglycol, Poly- ethylenglycol-Polypropylenglycol-Copolymerisaten und deren Monoethern sowie Mischungen der vorgenannten Polyether.

Als partikuläre Rheologieadditive werden vorzugsweise feste, feinteilige anorganische Partikel eingesetzt.

Besonders bevorzugte partikuläre Rheologieadditive sind Alumi- nium(III)-, Titan(IV)- und Silicium (IV)oxide, wie beispiels weise gefällte Kieselsäuren oder Kieselgele, oder pyrogen her gestellte Aluminiumoxide, Titandioxide, Siliciumdioxide oder Kieselsäure. Insbesondere bevorzugt ist pyrogene Kieselsäure.

Andere geeignete partikuläre Rheologieadditive sind Silikate, Aluminate oder Titanate, oder Aluminiumschichtsilikate, wie Bentonite, wie Montmorillonite, oder Smektite oder Hektorite.

Die Austragevorrichtung der vorliegenden Erfindung ist vorzugs weise eingerichtet, in Richtung der Austragsachse Druckmassen in Form einzelner isolierter Tropfen, als Tropfenreihe oder in Form eines Strangs abzugeben. Fließende Übergänge zwischen diesen Formen sind möglich. Im Rahmen dieser Beschreibung wird ein aus der Austragevorrichtung ausgetragener und auf der zu bedruckenden Oberfläche (z.B. der Basisplatte bzw. auf dem Objekt oder Fremdbauteil) gesetzter Tropfen einer Druckmasse als Voxel bezeichnet. Mit Strang wird sowohl ausgetretene und noch nicht gesetzte als auch gesetzte Druckmasse in Strangform bezeichnet. Unter einer gesetzten Druckmasse wird sowohl ein Voxel als auch ein Strang verstanden.

Zur Abgabe einzelner Tropfen kann die Austragevorrichtung eine oder mehrere Düsen umfassen, die Flüssigkeitstropfen aus Druck masse in Richtung der Basisplatte emittieren, ähnlich wie es die Ventile bzw. Düsen eines Tintenstrahldruckers tun. Daher werden diese Ventile bzw. Düsen auch als Jetting-Ventile bzw. Jetting-Düsen bezeichnet. Die beiden Bezeichnungen werden in dieser Beschreibung synonym verwendet.

Zur Abgabe von Strängen aus Druckmasse wird die Druckmasse mittels Druckbeaufschlagung eines Vorratsbehälters, z.B. aus einer Kartusche, Spritze oder einem Fass, durch eine Düse als Strang herausgepresst und auf der Basisplatte zum Objekt selek tiv abgeschieden. Derartige Austragevorrichtungen werden im Rahmen dieser Beschreibung als Dispenser bezeichnet. Alternativ kann die Druckmasse auch über eine Fördereinrichtung aus dem Vorratsbehälter zur Düse gefördert werden. Dies kann z.B. durch eine Pumpe und/oder ein Unterdruckverfahren erfolgen.

Es können mehrere, auch technisch unterschiedliche Austragevor richtungen in der 3D-Druckvorrichtung vorgesehen sein. So kann die 3D-Druckvorrichtung eine oder mehrere ggf. unterschiedlich ausgestaltete oder unterschiedlich betriebene Jetting-Düsen und/oder einen oder mehrere ggf. unterschiedlich ausgestaltete oder unterschiedlich betriebene Dispenser aufweisen. Die Aus tragevorrichtung kann auch Düsen- oder Dispenserarrays aufweisen, die mehrere Tropfen bzw. Stränge gleichzeitig ab geben können. Die Austragevorrichtungen können dazu eingerich tet sein, je nach Bedarf jeweils die gleiche Druckmasse und/oder unterschiedliche Druckmassen aufzubringen.

Insbesondere kann ein Druckkopf mehrere verschiedene Austrage vorrichtungen aufweisen, z.B. eine oder mehrere Jetting-Düsen und/oder einen oder mehrere Dispenser. Hierbei können bei spielsweise über den oder die Dispenser schnell die Druckmassen im Inneren des Objekts gesetzt werden und mit der oder den Jetting-Düsen in hoher Qualität die Oberfläche des Objekts her gestellt werden. Alternativ ist es denkbar, dass der Druckkopf mehrere gleichartige Austragevorrichtungen umfasst. Hierdurch können beispielsweise mehrere Objekte gleichzeitig generativ hergestellt werden oder es kann mit mehreren Austragevorrich- tungen parallel an dem Aufbau eines einzelnen Objekts gearbei tet werden. In beiden Fällen wird die insgesamt erforderliche Druckdauer reduziert.

Die jeweilige Austragevorrichtung weist eine Austragsachse auf, die die Richtung angibt, in die Material aus der Austragevor richtung ausgetragen wird. Üblicherweise ist die Austragsachse derart mit Bezug zur Basisplatte orientiert, dass diese senk recht zur Basisplatte steht. Optional kann vorgesehen sein, dass die 3D-Druckvorrichtung derart konfiguriert ist, dass auch die Ausrichtung der Austragsachse relativ zur Basisplatte ver ändert werden kann.

Bevorzugt weist der Druckkopf eine oder mehrere Jetting-Düsen auf. Die Jetting-Düsen sind derart eingerichtet, dass diese, auf Anforderung, kontrolliert einen oder mehrere Tropfen ab geben. Es kann beispielsweise ein Heizelement in der Jetting-Düse vor gesehen sein, mit dem die Druckmasse erhitzt wird und ein Tropfen von einer entstehenden Dampfblase aus der Jetting-Düse getrieben wird, dies ist als Bubble-Jet bekannt.

Eine weitere Möglichkeit ist das Anordnen eines Piezoelements, welches sich aufgrund einer elektrischen Spannung verformt und hierdurch einen Tropfen aus einer Jetting-Düse pressen kann. Derartige Tintenstrahldruckverfahren sind dem Fachmann aus dem klassischen Druck und aus dem sogenannten 3D-Druck, bei dem aus einer fotopolymerisierbaren Tinte dreidimensionale Gegenstände schichtweise aufgebaut werden, grundsätzlich bekannt. Derartige Druckköpfe, wie sie im Tintenstrahldruck oder in Multijet-3D- Druck eingesetzt werden, können auch niederviskose Drucktinten bzw. Druckmassen dosieren, z.B. solche mit Viskositäten unter 50 mPa ·s.

In den Druckköpfen der 3D-Druckvorrichtung werden bevorzugt Austragevorrichtungen eingesetzt, die auf Jet-Ventilen mit Piezoelementen basieren. Diese ermöglichen das Austragen sowohl niedrigviskoser Materialien, wobei Tropfenvolumen für Tropfen von einigen wenigen Pikolitern (pL) (2 pL entsprechen einem Tropfendurchmesser von ca. 0,035 ym) realisiert werden können, als auch mittel- und hochviskoser Materialien wie insbesondere Siliconkautschukmassen, wobei Piezo-Druckköpfe mit einem Düsen durchmesser zwischen 50 und 500 ym bevorzugt werden und Tropfenvolumen im Nanoliter-Bereich (1 bis 100 nL) erzeugt werden können. Mit niedrigviskosen Massen (< 100 mPa -s) können diese Druckköpfe Tröpfchen mit sehr hoher Dosierfrequenz ab geben (ca. 1 - 30 kHz), während mit höherviskosen Massen (> 100 Pa-s) in Abhängigkeit von den rheologischen Eigenschaften (scherverdünnendes Verhalten) Dosierfrequenzen bis zu ca. 500 Hz erzielt werden können. Mit neueren Dosierungstechnologien können für höherviskose Massen mittlerweile auch bis zu 3.000 Hz erzielt werden. Geeignete Jetting-Düsen werden beispiels weise in DE 102011 108 799 Al beschrieben.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Jetting-Düsen kann beim Austrag der Druckmasse das Volumen des Tropfens beeinflusst werden, so dass Tropfen unterschiedlicher Größe erzeugt werden können. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann vorgesehen sein, dass einige Jetting-Düsen, z.B. eines Düsenarrays, mit unter schiedlichen Düsengrößen ausgestaltet sind. Mit kleinen Tropfen lassen sich genauere Kanten erzeugen und z. B. ein Oberflächen finish an den Seitenflächen des Objekts nach einem Drehen des Objekts durchführen.

In einem Dispenser erfolgt der Druckaufbau z.B. mittels Luft druck oder mechanisch, z.B. durch einen kleinen Extruder, mittels einer Kolbenpumpe oder mittels einer Exzenterschnecke. Verschiedene Ausführungsformen sind dem Fachmann bekannt.

Im Fall einer Jetting-Düse als Austragevorrichtung wird durch eine Steuereinrichtung vorgegeben, wann die Jetting-Düse einen Voxel austrägt. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass durch die Steuereinrichtung die Größe des Voxels vorgegeben wird. Es kann vorgesehen sein, dass in Abhängigkeit der Messergebnisse der Messvorrichtung die Parameter der Jetting-Düse, welche die Voxeigröße beeinflussen, angepasst werden. Derartige Parameter können z. B. die Öffnungszeiten des Jettingventils umfassen, oder, falls die Düse Stößeltechnik aufweist, eine Stößelhub geschwindigkeit, Stößelsenkgeschwindigkeit, die Stößelverweil zeit an einem bestimmten Punkt und den Stößelhub. Diese Para meter müssen nicht linear bzw. konstant sein, die Geschwindig keiten können also während der Bewegung variiert werden.

Hierbei spricht man auch von Parameterkurven. Die Parameter der Jetting-Düse, welche die Voxeigröße beein flussen, können auch bei einem etwaigen Nachdruck fehlerhaft nicht-gesetzter Voxel, z. B. beim Auffüllen von Fehlstellen kurzfristig angepasst werden, um den Nachdruck zu optimieren.

Eine weiterer wichtiger Einflussparameter ist die mögliche Temperierung der Druckmassen. Nach Bedarf können die Druck massen aufgeheizt werden. Dies kann an unterschiedlichen Stellen im Prozess erfolgen, z.B. im Materialspeicher, in der Materialzuführung und/oder im Ventil/in der Düse selbst.

Im Fall eines Dispensers als Austragevorrichtung wird durch die Steuereinrichtung vorgegeben, wann der Dispenser mit dem Aus tragen von Druckmasse in Form eines Strangs beginnt und wann das Austragen beendet wird. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Volumenstrom, also der Druckmassenvolumenaustrag pro Zeiteinheit, durch die Steuereinrichtung vorgegeben wird. Es kann vorgesehen sein, in Abhängigkeit der Messergebnisse der Messvorrichtung die Parameter des Dispensers, welche die Strangform beeinflussen, anzupassen, um die Druckqualität zu erhöhen. Derartige Parameter des Dispensers können die Durch flussrate, Zuführgeschwindigkeit, Aufheiz-Temperatur und den Vordruck im Materialspeicher umfassen.

Bei der verwendeten Druckmasse handelt es sich bevorzugt um ein Material, welches zumindest während der Verarbeitung in einer fließfähigen Form vorliegt und nach dem Austrag ausgehärtet werden kann. Die unvernetzten Materialien bleiben vorzugsweise bis zu ihrer Aushärtung fließfähig, so dass die Tropfen und/oder Stränge der Druckmassen sich nach ihrem Austrag vor der Aushärtung miteinander verbinden können. Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Aushärtung der Druckmassen mittels Strahlung oder Wärmeeinwirkung erfolgt, besonders bevorzugt ortsselektiv oder flächig mittels Strahlung oder Wärmeeinwirkung. Bevorzugt werden Druckmassen eingesetzt, die sich nach dem Setzen durch Einwirkung von Strahlung oder Wärme aushärten lassen.

Bevorzugt umfassen die Druckmassen im erfindungsgemäßen Ver fahren eine oder mehrere vernetzbare Siliconkautschukzusammen setzungen.

Besonders bevorzugt weist wenigstens eine Siliconkautschu kzusammensetzung eine Viskosität von 10 Pa-s oder mehr, bevor zugt 40 Pa-s oder mehr, besonders bevorzugt 100 Pa-s oder mehr, ganz besonders bevorzugt 200 Pa-s oder mehr, auf, jeweils gemessen bei 25°C und einer Scherrate von 0,5 s _1 .

Zur Messung der Viskosität eignet sich insbesondere ein Rheometer mit Platte-Platte-Geometrie (25 mmm) bei einer Spalt weite von 300 ym.

Besonders bevorzugt umfassen die Druckmassen eine oder mehrere durch elektromagnetische Strahlung, vorzugweise UV-Strahlung, vernetzbare Siliconkautschukzusammensetzungen.

Bevorzugt umfasst das Verfahren die Vernetzung oder Anver netzung der Druckmasse durch elektromagnetische Strahlung nach Auftragung der Druckmasse. Die 3D-Druckvorrichtung umfasst dazu vorzugsweise eine Quelle für elektromagnetische Strahlung, die für die Vernetzung oder Anvernetzung der Druckmasse eingerich tet ist. Bevorzugt wird die Vernetzung oder Anvernetzung thermisch und/oder durch UV- oder UV-VIS-Licht induziert.

Weiterhin umfassen die Druckmassen vorzugsweise eines oder mehrere der folgenden Materialien: Silicongele, Siliconharze, Homopolymere oder Copolymere aus Monomeren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acrylaten, Olefinen, Epoxiden, Isocyanaten oder Nitrilen, sowie Polymermischungen umfassend eines oder mehrere der vorgenannten Polymere.

Insbesondere umfassen die Druckmassen Kombinationen der vor genannten Materialien in Kombination mit den oben genannten Siliconkautschukzusammensetzungen .

Besonders geeignet sind Siliconkautschukzusammensetzungen, wie sie in WO 2017/081028 Al, WO 2017/089496 Al und WO 2017/121733 Al beschrieben sind.

Die Siliconkautschukzusammensetzungen umfassen vorzugsweise

(A) mindestens eine Organosiliciumverbindung mit mindestens zwei aliphatisch ungesättigten Gruppen pro Molekül,

(B) mindestens eine Organosiliciumverbindung mit mindestens zwei SiH-Gruppen pro Molekül,

(C) mindestens einen Hydrosilylierungskatalysator,

(D) mindestens ein rheologisches Additiv wie beispielsweise die oben genannten partikulären rheologischen Additive, Silicon harze, Epoxygruppen-funktionellen Verbindungen,

(Poly)ethergruppen-funktionellen Verbindungen,

(Poly)estergruppen-funktionellen Verbindungen oder Kombi nationen davon.

Beispielsweise wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren eine Druckmasse eingesetzt, die sich durch Einwirkung von aktinischer Strahlung aushärten lässt, bevorzugt durch Ein wirkung von UV/VIS-Strahlung. UV-Strahlung bzw. UV-Licht weist eine Wellenlänge im Bereich von 100 nm bis 380 nm auf, während sichtbares Licht (VIS-Strahlung) eine Wellenlänge im Bereich von 380 bis 780 nm aufweist.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden als Druckmasse beson ders bevorzugt Siliconkautschukmassen verwendet, die durch UV/VIS-induzierte Additionsreaktion vernetzen. Gegenüber einer thermischen Vernetzung hat die UV/VIS-induzierte Vernetzung Vorteile. Zum einen können Intensität, Einwirkungszeit und Ein wirkungsort der UV/VIS-Strahlung genau bemessen werden, während das Aufheizen der ausgetragenen Druckmasse (wie auch deren an schließendes Abkühlen) durch die relativ geringe thermische Leitfähigkeit stets verzögert erfolgt. Aufgrund des intrinsisch sehr hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Silicone führen die bei thermischer Vernetzung zwangsläufig vorhandenen Temperaturgradienten zu mechanischen Spannungen, welche die Maßhaltigkeit des gebildeten Objekts negativ beeinflussen, was im Extremfall zu inakzeptablen Formverzerrungen führen kann.

UV/VIS-induzierte Additions-vernetzende Siliconkautschukmassen werden beispielsweise in DE 102008 000 156 Al, DE 102008 043 316 Al, DE 102009 002 231 Al, DE 102009 027 486 Al, DE 10 2010 043 149 Al und WO 2009/027133 A2 beschrieben. Die Ver netzung kommt durch UV/VIS-induzierte Aktivierung eines licht empfindlichen Hydrosylierungskatalysators zustande, wobei Komplexe des Platins bevorzugt sind. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche lichtempfindliche Platinkatalysatoren bekannt, die unter Lichtausschluss weitgehend inaktiv sind und durch Bestrahlung mit Licht mit einer Wellenlänge von 250-500 nm in bei Raumtemperatur aktive Platin-Katalysatoren überführt werden können. Beispiele hierfür sind (h-Diolefin)(o-aryl)- Platinkomplexe (EP 0122 008 Al; EP 0561 919 Bl), Pt(II)-ß- diketonatkomplexe (EP 0398 701 Bl) und (h5- Cyclopentadie- nyl)tri (s-alkyl)Platin(IV)-Komplexe (EP 0146 307 Bl,

EP 0358 452 Bl, EP 0561 893 Bl). Besonders bevorzugt sind MeCpPtMe3 sowie die sich davon durch Substitution der am Platin befindlichen Gruppen ableitenden Komplexe, wie beispielsweise beschrieben in EP 1050 538 Bl und EP 1803 728 Bl. Die UV/VIS- induziert vernetzenden Druckmassen können ein- oder mehr- komponentig formuliert werden.

Die Geschwindigkeit der UV/VIS-induzierten Additionsvernetzung hängt von zahlreichen Faktoren ab, insbesondere von der Art und Konzentration des Platin-Katalysators, von der Intensität, Wel lenlänge und Einwirkungszeit der UV/VIS-Strahlung, der Transpa renz, Reflektivität, Schichtdicke und Zusammensetzung der Siliconkautschukmasse und der Temperatur.

Der Platin-Katalysator wird vorzugsweise in einer katalytisch ausreichenden Menge eingesetzt, so dass eine hinreichend schnelle Vernetzung bei Raumtemperatur ermöglicht wird. Vorzugsweise werden 0,1 bis 500 Gew.-ppm des Katalysators bezogen auf den Gehalt des Pt-Metalls zur gesamten Silicon kautschukmasse verwendet, vorzugsweise 0,5 bis 200 Gew.-ppm, besonders bevorzugt 1 bis 50 Gew.-ppm.

Für die Aushärtung der UV/VIS-induziert additions-vernetzenden Siliconkautschukmasse wird bevorzugt Licht der Wellenlänge 240 bis 500 nm, weiter bevorzugt 250 bis 400 nm, besonders bevor zugt 350 bis 400 nm, insbesondere bevorzugt 365 nm eingesetzt. Um eine rasche Vernetzung zu erzielen, worunter eine Ver netzungszeit bei Raumtemperatur von weniger als 20 min, vor zugsweise weniger als 10 min, besonders bevorzugt weniger als 1 min verstanden werden soll, empfiehlt sich die Verwendung einer UV/VIS-Strahlungsquelle mit einer Leistung zwischen 10 mW/cm 2 und 20.000 mW/cm 2 , bevorzugt zwischen 30 mW/cm 2 und 15.000 mW/cm 2 , sowie eine Strahlungsdosis zwischen 150 mJ/cm 2 und 20.000 mJ/cm 2 , bevorzugt zwischen 500 mJ/cm 2 und 10.000 mJ/cm 2 . Im Rahmen dieser Leistungs- und Dosis-Werte lassen sich flächenspezifische Bestrahlungszeiten zwischen maximal 2.000 s/cm 2 und minimal 8 ms/cm 2 realisieren.

Werden Druckmassen eingesetzt, die unter UV/VIS-Einwirkung aus härten, so weist die 3D-Druckvorrichtung bevorzugt eine UV/VIS- Belichtungseinheit auf. Bei ortsselektiver Belichtung ist die UV/VIS-Quelle relativ zur Basisplatte beweglich angeordnet und beleuchtet nur ausgewählte Bereiche des Objekts. Bei einer flächigen Belichtung ist die UV/VIS-Quelle in einer Variante derart ausgestaltet, dass das gesamte Objekt bzw. eine gesamte Materialschicht des Objekts auf einmal belichtet wird. In einer bevorzugten Variante ist die UV/VIS-Quelle derart ausgebildet, ihre Lichtstärke oder ihre Energie variabel eingestellt werden kann und dass die UV/VIS-Quelle zur gleichen Zeit nur einen Teilbereich des Objekts belichtet, wobei die UV/VIS-Quelle derart relativ zu dem Objekt bewegt werden kann, dass das gesamte Objekt mit dem UV/VIS-Licht, ggf. in unterschiedlicher Intensität, belichtet werden kann. Beispielsweise ist die UV/VIS-Quelle hierzu als UV/VIS-LED Leiste ausgestaltet und wird relativ zu dem Objekt, bzw. über das gedruckte Objekt bewegt.

Im Fall von mittels Wärmeeinwirkung aushärtender Druckmassen kann eine Infrarotlicht-Quelle (IR) eingesetzt werden, um eine ortsselektive oder flächige Wärmebehandlung durchzuführen.

Für das Durchführen der Aushärtung wird eine Aushärtestrategie verwendet. Bevorzugt erfolgt eine Aushärtung der Druckmassen nach dem Setzen einer Schicht von Druckmassen, nach dem Setzen mehrerer Schichten von Druckmassen oder direkt während des Drucks.

Ein Aushärten der Druckmassen direkt während des Drucks wird als direkt-Aushärtestrategie bezeichnet. Werden durch UV/VIS- Strahlung aushärtbare Druckmassen verwendet, so ist dann im Vergleich zu anderen Aushärtestrategien die UV/VIS-Quelle sehr lange aktiv, so dass mit sehr viel geringerer Intensität ge arbeitet werden kann, was zu einem langsamen Durchvernetzen des Objekts führt. Dies begrenzt die Erwärmung des Objekts und führt zu maßhaltigen Objekten, da keine Ausdehnung des Objekts aufgrund von Temperaturspitzen auftritt.

Bei der Pro-Layer-Aushärtestrategie erfolgt nach dem Setzen jeder vollständigen Materialschicht die strahlungsinduzierte Vernetzung der gesetzten Materialschicht. Während dieses Vor gangs verbindet sich die frisch gedruckte Schicht mit der aus gehärteten darunterliegenden gedruckten Schicht. Das Aushärten erfolgt nicht sofort nach dem Setzen einer Druckmasse, so dass die Druckmassen vor dem Aushärten Zeit haben, zu relaxieren. Hiermit ist gemeint, dass die Druckmassen ineinanderfließen können, wodurch eine glattere Oberfläche als bei der Direkt- Aushärtestrategie erzielt wird.

Bei der n-Layer-Aushärtestrategie wird ähnlich wie bei der Pro- Layer- Aushärtestrategie verfahren, jedoch wird das Aushärten erst nach dem Setzen von n Materialschichten vorgenommen, wobei n eine natürliche Zahl ist. Die für das Relaxieren der Druck massen zur Verfügung stehende Zeit wird weiter erhöht, wodurch sich die Oberflächengüte weiter verbessert. Aufgrund des Fließens der Druckmassen kann die erzielbare Kantenschärfe jedoch abnehmen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Aushärtestrategie mit dem Nachdrucken fehlerhaft nicht-gesetzter Druckmassen abgestimmt. Beispielsweise kann jeweils nach dem Drucken einer Materialschicht das Nachdrucken fehlerhaft nicht-gesetzter Druckmassen erfolgen, bevor die Vernetzung der gesetzten Materialschicht nach der Pro-Layer-Aushärtestrategie bzw. n- Layer-Aushärtestrategie erfolgt. Fehlerhaft nicht-gesetzte Druckmassen können beispielsweise dadurch erkannt werden, dass eine Positionsmesseinrichtung die Verfahrwege des Druckkopfes ermittelt, ggf. laufend ermittelt, dass der Austrag der Druck masse aus der Austragevorrichtung überwacht wird und/oder dass ausgetragene Druckmasse vermessen wird.

Die 3D-Druckvorrichtung umfasst wenigstens eine Messvor richtung, die dazu eingerichtet ist, die Topografie wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Ober fläche berührungslos zu bestimmen, und wenigstens eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Abstand der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie der Oberfläche zu steuern.

Bevorzugt ist die Messvorrichtung dazu eingerichtet, die Topo grafie der gesamten zu bedruckenden Oberfläche zu bestimmen.

Unter Topografie wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die geometrische Gestalt und Mikrostruktur der Oberfläche ver standen, die sich vor allem durch Erhebungen und Vertiefungen in der Oberfläche auszeichnet.

Bevorzugt ist die Messvorrichtung dazu eingerichtet, auch die räumliche Position und Lage wenigstens eines Teilbereichs der zu bedruckenden Oberfläche berührungslos zu bestimmen und die Steuereinrichtung ist dazu eingerichtet, den Abstand der Tropfen und/oder Stränge zueinander in Abhängigkeit von der bestimmten Position und Lage der Oberfläche zu steuern.

Unter der räumlichen Position und Lage wird im Rahmen der vor liegenden Erfindung der Ort und die Orientierung der Oberfläche im dreidimensionalen Raum verstanden. Änderungen der Position und Lage zeichnen sich insbesondere durch Verschiebungen oder Schräglagen aus.

Bevorzugt umfasst die Messvorrichtung wenigstens einen Laser und wenigstens einen Sensor, die zusammen dazu eingerichtet sind, den wenigstens einen Teilbereich der Oberfläche mittels Lasertriangulation zu vermessen.

Besonders bevorzugt ist der Laser dazu eingerichtet, Laser strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 380 nm oder mehr und 570 nm oder weniger zu erzeugen.

Ganz besonders bevorzugt ist der Laser dazu eingerichtet, Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 380 nm oder mehr und 490 nm oder weniger, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 380 nm oder mehr und 430 nm oder weniger, insbe sondere mit einer Wellenlänge von 405 nm, zu erzeugen.

Ein kurzwelliger blau-violetter Laser dringt nicht in das Mess objekt ein und weist somit eine deutlich bessere Mess- /Erkennungsstabilität auf.

Geeignete Sensoren sind im Stand der Technik bekannt. Es eignen sich unter anderem herkömmliche Bildsensoren, beispielsweise CMOS- und CCD-Sensoren. Besonders bevorzugt sind CMOS-Sensoren. Die Messvorrichtung nutzt vorzugsweise das Triangulations prinzip zur Profil-Erfassung auf unterschiedlichsten Ober flächen.

Die Bestimmung der Topografie umfasst vorzugsweise die Identi fizierung von unerwünschten Unebenheiten der Oberfläche und die Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge den Aus gleich dieser Unebenheiten.

Die Bestimmung der räumlichen Position und Lage umfasst vor zugsweise die Identifizierung von unerwünschten Verschiebungen und Schräglagen und Steuerung des Abstands der Tropfen und/oder Stränge den Ausgleich dieser Verschiebungen und Schräglagen.

Besonders bevorzugt wird das Tropfenvolumen und/oder die Stranggeometrie konstant gehalten.

Bei der Lasertriangulation wird ein Laserstrahl auf das Mess objekt fokussiert und mit einem z.B. daneben im Sensor befind lichen Fotoempfänger beobachtet. Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes vom Laserprojektor berechnet.

Beim Fotoempfänger handelt es sich um ein lichtempfindliches Element, das die Position des Lichtpunktes im Abbild bestimmt. Aus dieser Bildposition wird die Distanz zwischen Sensor und Objekt berechnet.

Ein Vorteil der Triangulation ist der Umstand, dass es sich um rein trigonometrische Zusammenhänge handelt. Die Messung kann darum kontinuierlich erfolgen und eignet sich damit gut zur Abstandsmessung an bewegten Objekten.

Weiterhin ist der Laser vorzugsweise dazu eingerichtet, mehrere Messpunkte in einer Reihe gleichzeitig zu erfassen.

Über eine Spezialoptik wird der Laserstrahl beispielsweise zu einer statischen Laserlinie aufgeweitet und auf die Messobjekt oberfläche projiziert. Die Empfangsoptik bildet das diffus reflektierte Licht dieser Laserlinie auf einer Sensormatrix ab. Aus diesem Matrixbild wird neben den Abstandsinformationen (z- Achse) auch die Position entlang der Laserlinie (x-Achse) berechnet. Diese Punktinformationen werden dann in einem sensorfesten, zweidimensionalen Koordinatensystem ausgegeben. Bei bewegten Objekten oder bei Traversierung des Sensors können zusätzlich auch 3D-Messwerte ermittelt werden.

Bevorzugt erfolgt die Bestimmung der Geometrie der zu be druckenden Oberfläche unmittelbar nach Anvernetzung oder Ver netzung der Druckmassen bzw. nach Verfestigung des Stütz materials.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur berührungslosen Bestimmung der Topographie die abzutastende Fläche in Abtast bereiche aufgeteilt. Die Abtastbereiche entsprechen dem Voxel- durchmesser und/oder eines Bruchteils und/oder eines Vielfachen davon. In jedem Abtastbereich werden individuell Messpunkte definiert. Dies kann anhand einer festgelegten Position erfol gen und/oder durch festgelegte Parameter der Maschine. Die Ab stände zwischen den Abtastpunkten, bestimmt durch die Kombina tion aus Achsgeschwindigkeit und Abtastfrequenz, sind frei ein stellbar. Die Messung beginnt sobald die Achse den Startpunkt des Abtastbereichs erreicht und endet, wenn die Achse den End punkt des Abtastbereichs passiert.

Der Messsensor liefert als Messdaten den Abstand zwischen Mess sensor und der zu messenden Oberfläche (z-Koordinaten) zurück. Die Messung wird am Sensor durch Impulse (Auslöser-Signal) mit der im Abtastbereich eingestellter Abtastfrequenz ausgelöst.

Pro Impuls kann dabei eine Messung (Punkt) oder mehrere Messungen (Linie) parallel ausgelöst werden. Durch die Kombina tion aus Startpunkt (x,y,z), Endpunkt (x,y,z), Achsgeschwindig- keit und der definierten Abtastfrequenz können die Koordinaten der fehlenden Raumrichtungen für jeden Messpunkt oder Mess punkte eindeutig bestimmt werden (x,y-Koordinaten). Die aus dieser Messpunktwolke resultierende Topographie wird dann mit der Schicht aus dem digitalen Modell verrechnet, um die Abwei chungen von dieser Schicht bestimmen zu können. Aufgrund der Abweichungen wird dann die Folgeschicht adaptiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst vorzugsweise folgende Schritte vor Auftragung der Druckmassen:

Bereitstellen des Objekts in digitaler Form, wobei das digitale Objekt aus einzelnen Schichten besteht,

Erstellung von zweidimensionalen Bildern jeder einzelnen Schicht des Objekts, wobei die zweidimensionalen Bilder jeweils aus einzelnen Pixeln bestehen,

Aufteilung der zweidimensionalen Bilder in Druckbereiche mit identischem Tropfenabstand oder identischem Strangabstand, wobei die Größe der Druckbereiche in Abhängigkeit von der bestimmten Topografie der zu bedruckenden Oberfläche bestimmt wird. Es ist auch möglich, dass ein Druckbereich nicht aus mehreren, sondern nur aus einem einzelnen Tropfen oder einem einzelnen Strang besteht.

Als Eingangsdaten für den Druckprozess kann beispielsweise das zu druckende Computermodell in einem beliebigen Dateiformat hinterlegt sein. Übliche CAD-Dateiformate umfassen z.B. STL, OBJ, CLI/SLC, PLY, VRML, AMF, 3MF, STEP, IGES, IPT, IAM. Bei der Durchführung des beschriebenen Verfahrens wird das Modell virtuell horizontal geschnitten (sog. „slicen") und somit das Modell in Schichten aufgeteilt. Das zu druckenden Bauteil kann auch als bereits in digitale Schichten aufgeteiltes Modell oder auch als pixelbasierte Grafik übergeben und gedruckt werden. Bevorzugt wird als Eingangsdaten für den Druckprozess ein übliches CAD-Dateiformat verwendet, besonders bevorzugt STL. Jeder erzeugte Layer wird in eine pixelbasierte Grafik konver tiert. Auf dieser können dann weitere Berechnungen, beispiels weise Berechnung von Flächen für Druckmassen, durchgeführt werden. In den pixelbasierten Grafiken wird (z.B. mithilfe von Farben und/oder Schattierungen, oder auch anhand von, für den Menschen nicht sichtbaren, ausschließlich Maschinen-internen Daten) zwischen allen Materialien unterschieden. Eine pixel basierte Grafik kann keinen, einen oder mehrere Pixel für kein, ein oder mehrere Materialien enthalten. Diese pixelbasierten Grafiken werden dann in vertikale, horizontale, diagonale oder in Freiform gestaltete Druckbereiche (x,y-Dimension) und/oder in eine Außen- und/oder Innenkontur einzelner Flächen (sog. „Border") aufgeteilt. Die Breite eines Druckbereichs ist über Parameter einstellbar. Die Länge eines Druckbereichs ist unab hängig von Tropfen- oder Strangdurchmesser oder anderen Parame tern. Ein Druckbereich stellt einen Bereich mit identischem Material und identischer Tropfenanordnung und/oder identischem Tropfenabstand und/oder identischen Druckparametern dar. Ein Druckbereich wird durch Start- und Endpunkt, Achsgeschwindig- keit, Material und Druckfrequenz definiert. Abbildung 3 zeigt beispielhaft Druckbereiche mit verschiedenen Tropfenabständen. Die erzeugte Liste von Druckbereichen wird dann in Maschinen kommandos umgewandelt. Bevor die Maschine die Maschinenkom mandos abarbeitet, kann das Druckbett bzw. die zu bedruckende Oberfläche mit der Messvorrichtung abgetastet werden, um eine eventuelle Verkippung und/oder Versatz und/oder Verunreinigung auf der zu bedruckenden Oberfläche zu ermitteln und/oder die zu bedruckende Oberfläche zu identifizieren. Eine Verkippung und/oder ein Versatz wird später in die Ergebnisse des Mess systems mit eingerechnet. Ist die Verkippung oder der Versatz zu groß oder befinden sich auf der Oberfläche Verunreini gungen/Fremdkörper, so wird der additive Herstellungsprozess gestoppt. Alternativ kann die Verkippung und/oder der Versatz und/oder die Verunreinigung mit Hilfe einer Korrekturvorrich tung der 3D-Druckvorrichtung korrigiert werden.

Nach der Vermessung der zu bedruckenden Oberfläche, wird der additive Fertigungsprozess gestartet und die erste Schicht ge druckt. Nachdem eine Schicht gedruckt wurde wird diese ver netzt. Entweder vor dem Vernetzen oder nach dem Vernetzen des Materials wird die gedruckte Oberfläche mit der bereits beschriebenen Messvorrichtung vermessen. Vorzugseise wird die Oberfläche nach dem Vernetzen des Materials vermessen. Die festgestellten Abweichungen werden dann in die pixelbasierte Grafik der nächsten Druckschicht eingerechnet. Daraufhin ergeben sich für diese Fläche gegebenenfalls neue Druckbereiche und damit auch neue Maschinenkommandos. Diese aktualisierten Maschinenkommandos werden zum Beginn der nächsten Schicht der Maschine bereitgestellt. Die Schritte Drucken, Vernetzen,

Messen werden solange ausgeführt, bis keine Schicht mehr ver arbeitet werden muss. Das Verfahren umfasst vorzugsweise folgende Schritte:

- Eingabe des digitalen Modells

- Berechnung der Maschinensteuerung pro Schicht

- Austrag der Druckmassen in Form von Tropfen, in Form von Strängen oder in einer Kombination aus Tropfen und Strängen.

- Vermessen der gedruckten Schicht

- Berechnung der Abweichungen vom vorgegebenen digitalen Modell

- Einrechnen der möglichen Abweichungen in die Berechnung des folgenden Prozessschritts

Die Steuerung umfasst vorzugweise folgende Schritte:

- Vermessung der Oberfläche (ein oder mehrere Messpunkte)

- Bestimmung der z-Position über das Messsystem, Zuordnung der gemessenen z-Positionen zu den jeweils zugehörigen x,y-Positionen

- Auswertung der Topografie, (Identifizierung von korrekten, zu hohen und/oder zu niedrigen Stellen)

- Berechnung der nächsten Schicht unter Berücksichtigung der vorhergehenden Bestimmung der Topographie

- Materialmenge wird partiell, in Abhängigkeit der Topo graphie, an den Stellen angepasst, an denen vom Soll-Wert abgewichen wird, d.h. es erfolgt eine lokale Anpassung der Schichtstärke/Layerstärke/Layerdicke .

Die Anpassung erfolgt vorzugsweise über dynamisch angepasste Abstände von Voxeln (jeder Voxel kann einen anderen Abstand zum nächsten haben, es gibt keine Abhängigkeiten untereinander).

Das erfindungsgemäße Verfahren hat folgende Vorteile: Effizienz: Die Berechnung der Maschinenkommandos erfolgt im 2D- Raum und nicht im 3D-Raum. Das führt zu einer deutlich schnel leren Berechnung. Methoden im 3D-Raum sind zum Teil für große Bauteile nicht nutzbar, da zu viel Rechenzeit benötigt wird. Teilweise ist eine Berechnung sogar überhaupt nicht möglich. Hier besteht zudem ein hohes Risiko von Bauteilfehlern (z.B. auf Grund der Materialalterung im Prozess, Verfließen von bereits gesetzten Druckmassen, etc.).

Qualität: Die Bauteil-Geometrie wird original-(CAD-)getreu abgebildet. Mögliche Abweichungen (auf Grund von Material-, Prozess-, Maschinenfehlern) werden minimiert, verhindert, oder noch im Prozess behoben. In vielen 3D-Druck-Prozessen wird ein statischer Code abgearbeitet, der eine Inline-

Prozesskontrolle/-korrektur nicht möglich macht. Bei der vor liegenden Erfindung werden die Maschinenkommandos "live", während bzw. im Prozess erzeugt und können laufend (z.B. auf Basis von Messwerten) angepasst werden. Die Materialmenge wird partiell, in Abhängigkeit der Messung, an den Stellen ange passt, an denen vom vorgesehenen Wert abgewichen wird (durch Anpassung der Schichtstärke/Layerstärke/Layerdicke). Anpassung erfolgt über dynamisch angepasste Abstände von Voxeln (jeder Voxel kann einen anderen Abstand zum nächsten haben, keine Abhängigkeiten untereinander).

Korrekturfreiheit: Ein Bauteil kann an einer beliebigen Stelle korrigiert werden. Die Größe der Stelle ist nicht durch die Tropfengröße limitiert (vgl. Stand der Technik oben). Andere Verfahren können nur im Maßstab eines einzelnen Tropfens oder einer gesamten Schicht korrigieren, nämlich einen zusätzlichen Tropfen bzw. eine zusätzliche Schicht einfügen oder einen ganzen Tropfen bzw. eine ganze Schicht weglassen. Diese Ver fahren sind vor allem für nicht ineinanderfließende Materialen entwickelt worden. Insbesondere für Siliconkautschukzusammen setzungen sind diese Verfahren nicht geeignet.

Messgenauigkeit: Durch die bevorzugt gleichzeitige Vermessung von multiplen Messpunkten durch einen zur Linie aufgeweiteten Laserstrahl, können Positions-Ungenauigkeiten bei der Messung vermieden werden. Die Relativ- und/oder Absolutposition des Sensors bei der gleichzeitigen Messung von mehreren Messpunkten ist identisch, so kann eine Ungenauigkeit der einzelnen Mess punkte relativ zueinander ausgeschlossen werden. Wird jeder Messpunkt jedoch einzeln vermessen, kann allein durch die beschränkte Positioniergenauigkeit der Relativbewegung zwischen Sensor und dem zu vermessenden Objekt eine Abweichung zwischen den einzelnen Messungen nicht ausgeschlossen werden.

Es wurden Prozessversuche mit und ohne Bestimmung der Topo graphie und Steuerung des Tropfenabstand/ Strangabstands durch geführt.

Dabei wurde ein 3D-Drucker (ACEO ® Imagine Series 100, Wacker Chemie AG) verwendet, der dazu eingerichtet ist, Objekte im DOD-Verfahren (Drop-On-Demand-Verfahren) zu drucken. Der Drucker ist mit einer Software (ACEO ® Studio Software, Wacker Chemie AG) ausgestattet, die STL-Dateiformate für die her zustellenden Objekte übernehmen kann. Eine Beschreibung des Aufbaus und der Arbeitsweise des Druckers ist in WO 2016/071241 Al beschrieben. Es wurde eine Siliconzusammensetzung, die gemäß WO 2017/089496 Al hergestellt wurde, eingesetzt. Der Drucker wurde auf eine Schichthöhe von 0,4 mm eingestellt und druckte mit einer Frequenz von 600 Hz. Das Testobjekt war ein Würfel der Größe 10x10x10 mm. Es wurden 25 Schichten des Silicons gedruckt. Nach jeder Schicht wurde das Silicon mit UV-Licht vernetzt. Beim erfindungsgemäßen Versuch wurde zudem nach jeder Schicht die Topographie der Oberfläche der vorherigen Schicht gemessen und die nächste Schicht entsprechend dem erfindungs gemäßen Verfahren angepasst.

Beim nicht erfindungsgemäßen Versuch ohne Topografiebestimmung hat sich gezeigt, dass es im additiven Fertigungsprozess sehr schnell zu einer ungleichmäßigen Materialoberfläche, zu par tiellen Höheunterschieden und/oder Abweichungen in der Bauteil geometrie kommt (siehe Abbildung 1). Zu diesen Auffälligkeiten kommt es möglicherweise durch ungewollte Volumenschwankungen beim Setzen der Tropfen/Stränge und/oder durch Fehlerfortpflanzung/Aufschaukeln von Austragefehlern an der gleichen Stelle in mehreren Schichten.

Es wurde der gleiche Prozessversuch nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, d.h. mit Topografiebestimmung, durchgeführt. Die Abweichungen wurden von der Messvorrichtung erkannt und es wurde durch Adaption der darüberliegenden Schichten die Ab weichung ausgeglichen. Ungleichmäßigen Materialoberfläche, partiellen Höheunterschieden und Abweichungen in der Bauteil geometrie konnten somit gemildert oder komplett behoben werden (siehe Abbildung 2).

Bevorzugt ist die Messvorrichtung dazu eingerichtet, zu bestim men, auf welches Material die zu druckenden Druckmassen gedruckt werden können.

Eine Auswerteeinheit wertet beispielsweise hierzu die Intensi tät aller in einem Spektrometer auftretenden dominanten Wellen längen aus. Dabei unterscheidet sie zwischen Druckmasse, Stütz material, Material der Basisplatte oder eines Fremdbauteils oder einer sonstigen Oberfläche. Weiterhin kann die Auswerte einheit auch zwischen Materialien unterscheiden, die neben- einander in einer ebenen Fläche gedruckt werden, z. B. beim Applikationsdruck, oder wenn z. B. ein Material in einem weiteren Material eingebettet wird. Um den Übergang von einem transparenten Material zu einem intransparenten Material zu detektieren, kann auch das Verschwinden der Reflexion der Basisplatte herangezogen werden.

Vorzugsweise handelt es sich bei der der Oberfläche in der erfindungsgemäßen 3D-Druckvorrichtung bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren um die Oberfläche einer Trägerplatte, um die Ober fläche zuvor aufgebrachter Druckmasse, die Oberfläche eines Fremdbauteil oder einer Kombination davon.

Das Fremdbauteil besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren der folgenden Materialien: Textilien, Metall, Kunststoff, Kautschuk, Keramik, Glas, Beton, Holz, Leder und Papier.

Die erfindungsgemäße 3D-Druckvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Kalibrierstation, die dazu eingerichtet ist, die 3D- Druckvorrichtung zu kalibrieren.

Bevorzugt wird die 3D-Druckvorrichtung vor und/oder während, besonders bevorzugt vor der Herstellung des Objektes kalibriert.

Besonders bevorzugt erfolgt die Kalibrierung der 3D- Druckvorrichtung manuell, semi-automatisch oder vollautoma tisch, besonders bevorzugt vollautomatisch.

Bevorzugt weist die Kalibrierstation eine oder mehrere Mess vorrichtungen auf, die dazu eingerichtet sind Prozessparameter und/oder Objekteigenschaften eines Testobjekts zu bestimmen. Im 3D-Druckprozess wird die 3D-Druckvorrichtung vorzugsweise kalibriert. Dies kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfol gen, bevorzugt vor und/oder während dem Druckprozess (Initial kalibrieren bzw. Zwischenkalibrieren). Die Kalibrierung dient zur Parametrisierung des Druckers, der Einstellung der Ventil parameter, der Druckparameter und/oder der Maschinen-Settings.

Dabei werden Druckmassen ausgetragen, dies kann in Undefinier ter Form von einzelnen Voxeln und/oder einer Vielzahl von Voxeln und/oder Strängen, oder aber in Form von vorab definier ten Druckobjekte erfolgen. Der Austrag der Druckmassen kann an beliebiger Stelle erfolgen, bevorzugt an/über/in einem Abfall behältnis und/oder auf der Druckplattform und/oder auf einer speziellen Kalibrierplattform.

Anhand der ausgetragenen Druckmassen werden verschiedene Kriterien beurteilt. Dies kann anhand von Messungen und/oder auf Grundlage von empirischen Erfahrungen vom Bediener erfol gen. Messungen der ausgetragenen Druckmassen können umfassen: Topografie, Oberflächengüte/-qualität, Kantentreue, Tropfen abriss, Schichthöhe, Tropfenverlauf, Stranggeometrie, Austrags verhalten, Blasenfreiheit, Farbton, Kantengeometrie, und/oder Tropfengeometrie .

Es können aber auch Rückschlüsse auf die Einstellungen der Kom ponenten der Maschine selbst gezogen werden. Diese Überprüfung kann beispielsweise umfassen: Position und Lage von Komponenten des Druckers (sowohl global als auch zueinander), Ventil- Offset, Sensor-Offset und/oder Achs-Positionierung.

Die Kalibrierung der 3D-Druckvorrichtung (1. Austrag von Druck massen, 2. Messung von spezifischen Parametern und/oder Beur teilung auf Grundlage von empirischen Erfahrungen vom Bediener, 3. Ableitung von Maßnahmen) kann vorzugsweise unabhängig von der Druckplattform erfolgen. Damit kann auch während einem Druckprozess eine erneute (Zwischen-)Kalibrierung stattfinden ohne Gefahr das eigentlich zu druckende 3D-Objekt auf der Druckplattform zu gefährden (z.B. Kollision, unabsichtlicher Materialauftrag, Verschmutzung durch Maschinenbewegung etc.). Bei einer weiteren Ausgestaltungsform kann die eigentliche Druckplattform dabei in eine separate, geschützte Kammer ge fahren werden oder abgedeckt werden, während die (Zwischen- )Kalibrierung läuft. Dies schützt die ausgetragenen Druckmassen auf der Druckplattform zusätzlich vor möglichen ungewünschten Einflüssen. Die Kalibrierplattform kann zusätzlich mit Mess systemen zur erleichterten Beurteilung der ausgetragenen Druck massen ausgerüstet sein, bzw. die in der 3D-Druckvorrichtung vorhandenen Messsysteme sind so ausgestaltet, dass auch Messungen auf der Kalibrierplattform vorgenommen werden können. Diese Messsysteme können beispielsweise einen Lasersensor, einen Laserscanner, einen Profilsensor, einen Triangulations sensor, bevorzugt einen Laser-Triangulationssensor, besonders bevorzugt einen Laser-Linien-Triangulationssensor, einen Höhen sensor, einen konfokalen Sensor, einen konfokal-chromatischen Sensor, eine Kamera, eine Durchlichtkamera, eine 3D-Kamera, einen 3D-Scanner, ein bildgebendes Verfahren, einen Ultra schallsensor, einen Sensor mit elektro-magnetischer Strah lung/Wellen, eine Tropfen-/Strangüberwachung, eine Tropfen- /Stranggeometrievermessung umfassen.

Weiterhin weist die 3D-Druckvorrichtung bevorzugt eine oder mehrere Korrigiervorrichtungen auf, die dazu eingerichtet sind, die räumliche Position und Lage der Oberfläche zu korrigieren.

Bei Kenntnis der Lage der Druckebene kann die 3D- Druckvorrichtung zusätzlich kalibriert werden, z. B. indem Ver- satz und Verkippung gegenüber dem Druckkopf bzw. der Druckkopf- ebene oder der Abstand der Druckebene in Bezug auf die jeweili ge Austragevorrichtung und die Orientierung im Raum eingestellt werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist die 3D- Druckvorrichtung daher eine Korrigiervorrichtung auf, die funk tionell mit dem System der Messvorrichtung verbunden und dazu eingerichtet ist, die Lage der Druckebene zu korrigieren.

Die Korrigiervorrichtung kann Justierelemente zur Justierung der Druckebene umfassen, z. B. Justierschrauben an der Basis platte und am Druckkopf. Die Justierung der Druckebene kann mechanisch per Hand erfolgen oder automatisch. Bevorzugt umfasst die Korrigiervorrichtung ansteuerbare Aktoren, die z.

B. Verkippung und Versatz automatisch per Computersteuerung einstellen können.

Für den Fall, dass die Austragevorrichtung eine Jetting-Düse ist, kann die Korrigiervorrichtung auch Justierelemente zur Justierung der Ausrichtung des Druckkopfs aufweisen, beispiels weise Winkeljustierschrauben. Durch Toleranz in der Mechanik und in der Düsengeometrie werden ausgebrachte Tropfen, die zu Druckvoxeln führen, nicht senkrecht ausgestoßen, sondern in einem kegelförmigen Toleranzbereich. Die Spitze des Kegels ist dabei durch den Düsenausgang gebildet und die Grundfläche der Bereich auf der Druckebene, auf welcher der Tropfen auftrifft. Eine nicht senkrechte Ausrichtung des Druckkopfes, Toleranzen der Düsenformung sowie Verschmutzungen und Ablagerungen in der Düse oder Luftströmungen können eine ungewollte Ablenkung der Tropfentrajektorien erzeugen. Bevorzugt sind auch hier an steuerbare Aktoren vorgesehen, um den Winkel automatisch per Computersteuerung einstellen zu können. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße 3D Druckvorrichtung ein oder mehrere steuerbare Roboterarme auf, die dazu eingerichtet sind, das gedruckte Objekt und/oder Fremdbauteil zu platzieren und/oder zu manipulieren.

Der steuerbare Roboterarm ermöglicht beispielsweise ein automa tisches Bestücken des 3D-Druckers mit Fremdbauteilen, die bedruckt, beschichtet oder auf welche Applikationen aufgedruckt werden sollen. Auch Drehen, Repositionieren und Entnehmen des Fremdbauteils oder des gedruckten Objekts ist automatisch möglich. Weiterhin kann mittels des Roboterarms ein Entfernen von erkanntem Fremdmaterial erfolgen.

Die 3D-Druckvorrichtung weist ein Hauptsteuergerät auf, welches eine Vorlage bzw. ein Computermodell des zu druckenden Objekts enthält. Das Hauptsteuergerät kann beispielsweise als ein Computer ausgeführt sein, welcher mit den Steuereinrichtungen der Geräte beispielsweise über ein Datennetzwerk wie z. B. Ethernet oder WLAN oder über eine Verbindung wie z. B. eine serielle Verbindung oder USB kommuniziert.

Auf dem Hauptsteuergerät kann das Computermodell in einem beliebigen Dateiformat hinterlegt sein. Übliche Dateiformate umfassen z.B. STL, OBJ, CLI/SLC, PLY, VRML, AMF, 3MF, STEP, IGES, IPT, IAM. Bei der Durchführung des beschriebenen Ver fahrens werden durch das Hauptsteuergerät virtuelle horizontale Schnitte durch das Modell erzeugt (sog. Slicen). Aus diesen horizontalen Schnitten wird im Anschluss ein Schema berechnet, welches angibt, wie die Druckmassen zum generativen Aufbauen des Objekts platziert werden müssen. Das Schema enthält ins besondere die Soll-Positionen der Druckmassen. Hierbei wird berücksichtigt, ob der Austrag der Druckmassen in Form von Voxeln, in Form von Strängen oder in Form einer Kombination aus Voxeln und Strängen erfolgt. Erfordert die Form des Objekts das Setzen von Stützmaterial, so ist das Hauptsteuergerät bevorzugt eingerichtet, auch ein Schema zum Setzen des Stützmaterials zu erzeugen.

Das Hauptsteuergerät ist funktionell mit der Messvorrichtung und weiteren Vorrichtungen der 3D-Druckvorrichtung verbunden, insbesondere mit Druckköpfen, Positioniereinrichtungen, Posi tionsmesseinrichtungen, Druckmassenmessungen, Korrigiervor richtungen und Roboterarmen.

Die Positioniereinrichtung ist eingerichtet, den Druckkopf relativ zu der Basisplatte zu positionieren, wobei die Relativ position zumindest entlang der drei Raumachsen X, Y und Z ver stellbar ist, gegebenenfalls auch drehbar. Die Positionier einrichtung umfasst mindestens eine Antriebseinheit, wobei üblicherweise für jede verstellbare Raumachse zumindest eine separate Antriebseinheit vorgesehen ist. Die Antriebseinheit ist beispielsweise als Elektromotor, insbesondere als Schritt motor oder Servomotor ausgeführt.

Die Positionsmesseinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, die Position des Druckkopfs laufend zu bestimmen. Hierzu kann vor gesehen sein, dass die Positionsmesseinrichtung Messungen der Position des Druckkopfs mit einer vorgegebenen Rate vornimmt und an das Hauptsteuergerät übermittelt.

Die Positionsmesseinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, zu jeder durch die Positioniereinrichtung verstellbaren Achse oder Raumrichtung eine Messung der Position mit Bezug zu dieser Achse oder Raumrichtung vorzunehmen. Zumindest ist die Posi tionsmesseinrichtung eingerichtet, die Position des Druckkopfes innerhalb einer Ebene parallel zu der Basisplatte zu bestimmen. Bevorzugt ist sie eingerichtet, die Position des Druckkopfes im Raum zu bestimmen.

Die Positionsmesseinrichtung weist bevorzugt zumindest einen Schrittzähler am Motor, Drehgeber (Encoder), optischen Maßstab, insbesondere einen Glasmaßstab, GPS-Sensor, Radarsensor, Ultra schallsensor, LIDAR-Sensor und/oder zumindest eine Licht schranke auf. Der Schrittzähler am Motor kann insbesondere als berührungsloser Schalter, beispielsweise als Magnetsensor, ins besondere Hallsensor ausgestaltet sein.

Somit ist es möglich, an beliebig geformten Körpern Beschich tungen, Aufsätze oder Applikationen zu drucken. Beispielsweise können uneben geformte Körper wie Linsen mit aufgedruckten Halterungen versehen werden. Weiterhin können an metallischen Bauelementen Überzüge oder Pufferelemente aufgedruckt werden. Weiterhin kann ein Einbettungsdruck von Elektroden, elektri schen Aktoren oder Sensoren in Silicon vorgenommen werden. Die Einbettung kann beispielsweise notwendig sein, um diese für den menschlichen oder tierischen Körper auf verträgliche Weise implantierbar zu gestalten. Anwendungen liegen bei medizini schen Implantaten, wie etwa Gehörimplantaten oder bei medizini scher Sensorik. Beispielsweise können elektrische Aktoren oder Sensoren durch Einbetten von elektroaktiven Polymeren in Silicon erzeugt werden.

Weiterhin lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Abbilder bestehender Strukturen oder Bauteile erzeugen, insbe sondere auch Abbildungen transparenter Bauteile. Die bestehende Struktur oder das Bauteil wird gescannt, als CAD-Modell ein gelesen und nachgedruckt. Vorteilhaft sind keine zwei getrenn ten Geräte erforderlich, sodass eine separate Scaneinrichtung entfällt. Gemäß einer Ausführungsform wird zumindest ein Fremdbauteil auf einer Basisplatte oder auf einer gedruckten Schicht angeordnet, wobei die Lage der bedruckbaren Oberfläche des Fremdbauteils durch das System mit der Messvorrichtung ermittelt wird.

Somit können auch in vorhandenen Druckkörpern während des Drucks externe Elemente eingesetzt und im Druckkörper einge druckt werden. Durch die Höhenmessung wird die Position und Lage des Fremdbauteils ermittelt und diese Daten werden durch die Software im Druckprozess weiterverarbeitet. Das Fremdbau teil kann dabei im Laufe des Druckvorgangs völlig oder nur teilweise mit Druckmasse beschichtet oder von der Druckmasse umschlossen werden.

Die Anordnung des Fremdbauteils auf der Basisplatte oder auf der gedruckten Schicht erfolgt bevorzugt automatisch, z. B. mittels eines Roboterarms. Falls Ungenauigkeiten erkannt werden, können diese umpositioniert werden.

Fremdbauteile sind beispielsweise elektrische Sensoren,

Aktoren, Signalgeber oder Mikrochips.

Nach einer weiteren Ausführungsform können nach einem Druck vorgang mittels des Systems mit der Messvorrichtung außerdem Positionen gedruckter Druckmassen berührungslos bestimmt werden.

Die Messung, beispielsweise Schicht für Schicht ausgeführt, kann beispielsweise der Qualitätskontrolle dienen. Es kann vor gesehen sein, dass im CAD-Modell beispielsweise die Differenz vom Soll-Modell zum Ist-Modell dargestellt wird. Insbesondere bei Hinterschneidungen und bei schwer zugänglichen Innenräumen von Objekten ist diese Art der Dokumentation der Qualität vor teilhaft. Eine spätere Untersuchung wäre oftmals nur noch auf wändig oder bedingt möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vor gesehen, qualitätsbestimmende Kennzahlen des gedruckten Objekts zu bestimmen und auszugeben, insbesondere die Oberflächenrauig keit, die Oberflächengüte, die Oberflächentextur, die Lage (insbesondere die Höhe) und Ebenheitstoleranzen. Durch die erhaltenen CAD-Daten ist eine Ausgabe qualitätsbestimmenden Kennzahlen direkt nach dem Scan oder Druck durchführbar. Auch können entsprechend einschlägiger Normen wie bspw. EN ISO 25178 nach Ausgabe vom 2010-2013 sofortige Angaben zur Oberflächen rauigkeit oder anhand der DIN ISO 2768-1 Angaben zu Allgemein toleranzen von der 3D-Druckeinrichtung ausgegeben werden.

Bevorzugt umfasst das Verfahren die Bestimmung von qualitäts bestimmenden Kennzahlen des gedruckten Objekts.

Bevorzugt umfassen die qualitätsbestimmenden Kennzahlen die Oberflächenrauigkeit, die Oberflächentextur, die Lage- und Ebenheitstoleranzen des gedruckten Objekts.

Insbesondere der Druck von transparentem Material hat eine Vielzahl von Anwendungsgebieten, wie z. B. optische Linsen.

Die Schichten, auf die gedruckt werden, sind bevorzugt zumindest teilweise aus transparenter Druckmasse gebildet.

Bevorzugt findet das vorgeschlagene Verfahren Anwendung bei der Herstellung von Objekten, welche Elastomerteile, insbesondere Siliconelastomerteile, sind. Für die Herstellung des Elastomer teils wird bevorzugt eine der zuvor beschriebenen Druckmassen verwendet. Elastomere, insbesondere Siliconelastomere, stellen spezielle Anforderungen an das 3D-Druckverfahren, da diese Materialien im Gegensatz z. B. zu thermoplastischen Kunst stoffen elastisch sind und sich während der Herstellung des Objekts verformen können. Zudem sind die unvernetzten Materia lien bis zu ihrer Aushärtung fließfähig.

Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Objekt zeichnet sich durch eine Qualität aus, welche der Qualität mittels Spritzgusses hergestellter Elastomerteile entsprechen kann oder diese sogar übertrifft. Dabei kann die Oberfläche des Objekts wie gewünscht angepasst werden. Die Oberfläche kann z. B. strukturiert, insbesondere regelmäßig strukturiert, oder glatt und/oder vollständig geschlossen ausgebildet werden.

Dabei weisen die hergestellten Objekte aufgrund der Möglichkeit des Nachdrucks fehlerhaft nicht-gesetzter Druckmassen keine eingeschlossenen Luft- oder Gasbläschen auf. Somit können mechanisch beanspruchbare Objekte mit verlässlichen physikali schen Eigenschaften erzeugt werden, welche z. B. auch für medi zinische Anwendungen geeignet sind. Beispielsweise können gedruckte Objekte mit homogenen Elastizitäts- oder Glattheits eigenschaften oder, bei optischen Linsen, isotroper optischer Transparenz bereitgestellt werden. Des Weiteren zeichnet sich das gedruckte Objekt dadurch aus, dass dessen Geometrie nicht durch die bei Gussverfahren eingesetzten Formwerkzeuge beschränkt ist. Somit kann das gedruckte Objekt Hinterschnitte und/oder eingeschlossene Hohlräume aufweisen. Ebenso ist das gedruckte Objekt frei von Graten, die bei spritzgegossenen Teilen insbesondere an der Trennung der Formhälften und an dem Angusssystem auftreten.




 
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