DE102019110104A1

DE102019110104A1 - Additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen und Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen

Info

Publication number: DE102019110104A1
Application number: DE102019110104.2A
Authority: DE
Inventors: Gerome Fischer; Arne PETERS
Original assignee: Fresenius Medical Care Deutschland GmbH
Current assignee: Fresenius Medical Care Deutschland GmbH
Priority date: 2019-04-17
Filing date: 2019-04-17
Publication date: 2020-10-22
Also published as: WO2020212047A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen, insbesondere zur Herstellung von Medizinprodukten, bei dem Material der Form des herzustellenden Gegenstandes 2 entsprechend Schicht für Schicht aufgetragen wird, sowie eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen. Das additive Fertigungsverfahren und die Vorrichtung zur additiven Fertigung zeichnen sich dadurch aus, dass beim schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Gegenstandes eine physikalische Größe gemessen wird, die von der Form und/oder Beschaffenheit des Gegenstandes 2 beeinflusst wird, wobei die gemessene physikalische Größe oder eine von der gemessenen physikalischen Größe abgeleitete Größe oder eine aus mehreren gemessenen oder abgeleiteten physikalischen Größen ermittelte Größe mit einer Referenzgröße verglichen wird, die für die Form und/oder Beschaffenheit eines dreidimensionalen Referenz-Gegenstandes charakteristisch ist. Bei einer Abweichung, die eine vorgegebene Toleranz überschreitet, wird ein Alarm gegeben und/oder ein Eingriff in das Fertigungsverfahren vorgenommen.

Description

Die Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen, insbesondere zur Herstellung von Medizinprodukten, bei dem Material der Form des herzustellenden Gegenstandes entsprechend Schicht für Schicht aufgetragen wird, sowie eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen.
Die bekannten additiven Fertigungsverfahren zeichnen sich dadurch aus, dass ein oder mehrere flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Gegenstand (Werkstück) aufgebaut werden. Additive Fertigungsverfahren zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität aus und bieten insbesondere bei Einzelanfertigungen und kleinen Stückzahlen große Vorteile. Die Herstellung von Werkzeugen (Formen) ist für additive Fertigungsverfahren nicht erforderlich und der Materialeinsatz ist gering. Daher sind additive Fertigungsverfahren auch für die Herstellung von Medizinprodukten insbesondere bei kleinen Stückzahlen und/oder speziellen Ausführungsformen der herzustellenden Gegenstände von besonderem Interesse. Allerdings werden insbesondere bei medizintechnischen Anwendungen hohe Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit und die Materialeigenschaften gestellt.
Eines der am weitesten verbreiteten Verfahren zur Verarbeitung von schmelzbaren Kunststoffen ist das Schmelzschichtverfahren, das sich für thermoplastische Kunststoffe eignet (Fused Deposition Modeling (FDM), Fused Filament Fabrication (FFF) sowie Fused Layer Modeling (FLM)). Das im Allgemeinen als dünnes Filament vorliegende Ausgangsmaterial wird in einer Düse aufgeschmolzen und punktuell oder linienförmig Schicht für Schicht aufgebracht. Darüber hinaus sind Verfahren bekannt, bei denen Pulverpartikel durch gezieltes Aufbringen feinster Tröpfchen eines flüssigen Binders auf ein Pulverbett verklebt werden. Da die Flüssigkeit wie bei einem konventionellen Drucker mit einem Druckkopf aufgebracht werden kann, wird dieses Verfahren auch als 3D-Druckverfahren bezeichnet. Das 3D-Druckverfahren ist sehr flexibel und erlaubt den Einsatz unterschiedlicher Materialien. Die Werkstücke können beliebig eingefärbt werden, wobei ähnliche Festigkeiten wie beim konventionellen Spritzguss möglich sein. Weitere bekannte additive Druckverfahren sind beispielsweise das selektive Lasersintern/Laserschmelzen, Schichtlaminatverfahren und Elektronenstrahlschmelzen. Die Produkte von additiven Fertigungsverfahren besitzen ganz spezifische Eigenschaften, die sich von Produkten, die mit konventionellen Verfahren, beispielsweise im Spritzgussverfahren, hergestellt werden, erheblich unterscheiden können. Bereits kleine Abweichungen in den Prozessparametern können große Wirkungen auf die Produkteigenschaften haben. Daher ist es durchaus möglich, dass selbst auf zwei baugleichen additiven Fertigungsanlagen mit demselben Ausgangsmaterial bei gleich eingestellten Prozessparametern (z. B. Temperatur, Geschwindigkeit des Druckkopfes/Lasers) die Produktqualität nicht völlig identisch ist. Obwohl die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten auf diesem Gebiet in den letzten Jahren intensiv vorangetrieben wurden, bestehen hinsichtlich der resultierenden mechanischen Eigenschaften bei den vielfältigen Kombinationen von Werkstoffen und additiven Fertigungsverfahren noch erhebliche Wissenslücken (vgl. Deutscher Bundestag, Bericht des Ausschusses für Bildung, Forschung und Technikfolgenabschätzung, Drucksache 18/13455, S. 60, 63, 73 (29.08.2017); VDI 2016, S. 27 ff.).
Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Aufbringen von funktionalen Schichten auf Substrate, beispielsweise Glas, Metall, Keramik, ist das Aoerosol-Druckverfahren. Die bekannten Aoerosol-Druckvorrichtungen umfassen eine Einrichtung zum Zerstäuben des aufzubringenden Materials, eine Einrichtung zum Transport des Aoerosols und eine Druckeinrichtung mit einer Düse zum Aufbringen des Aoerosols auf das Substrat. Nach dem Abscheiden des Aoerosols auf dem Substrat wird das Aoerosol thermisch nachbehandelt, um eine dauerhafte Verbindung mit dem Substrat herzustellen. Das Material wird mit dem Druckkopf nicht schichtweise, sondern in Linien aufgetragen, so dass sich sehr feine Strukturen erzeugen lassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen (Teilen), insbesondere zur Herstellung von Medizinprodukten, anzugeben, das eine einfache Qualitätskontrolle erlaubt. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, die für die Herstellung einer Vielzahl von Produkten insgesamt erforderliche Produktionszeit zu verkürzen. Eine Aufgabe der Erfindung ist auch, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen bereitzustellen, die eine einfache Qualitätskontrolle und eine Verkürzung der Produktionszeit erlaubt. Weitere Aufgaben der Erfindung sind die Erhöhung der Reproduzierbarkeit der herzustellenden Produkte sowie die Verbesserung der Steuer- und Regelbarkeit des Produktionsprozesses.
Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
Das Grundprinzip der Erfindung liegt darin, die dreidimensionalen Gegenstände (Teile), insbesondere Medizinprodukte, schon während der Herstellung mit einem additiven Fertigungsverfahren auf die Einhaltung von für die Qualitätskontrolle relevante Parameter (Grenzwerte) zu überprüfen. Die Grenzwerte können sich sowohl auf die geometrischen Abmessungen des Produkts als auch die Materialeigenschaften beziehen.
Bei dem erfindungsgemäßen additiven Fertigungsverfahren werden während der Fertigung Messungen durchgeführt, die für das bis dahin entstandene (Teil-)Produkt charakteristische Kenngrößen liefern. Die Messwerte werden mit Referenzmessungen verglichen, die an einem fehlerfreien Referenzprodukt vorgenommen worden sind. Je nach Anforderung an das Produkt werden mehr oder weniger starke Abweichungen der Messwerte von den Referenzwerten toleriert. Starke Abweichungen lassen auf eine fehlerhafte Fertigung schließen.
Das additive Fertigungsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass beim schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Gegenstandes (Teils) eine physikalische Größe gemessen wird, die von der Form und/oder Beschaffenheit des Gegenstandes beeinflusst wird, wobei die gemessene physikalische Größe oder eine von der gemessenen physikalischen Größe abgeleitete Größe oder eine aus mehreren gemessenen oder abgeleiteten physikalischen Größen ermittelte Größe mit einer Referenzgröße verglichen wird, die für die Form und/oder Beschaffenheit eines dreidimensionalen Referenz-Gegenstandes charakteristisch ist. Bei einer Abweichung der gemessenen physikalischen Größe oder der von der physikalischen Größe abgeleiteten Größe oder der aus mehreren gemessenen physikalischen Größen ermittelten Größe von der Referenzgröße, die eine vorgegebene Toleranz überschreitet, wird ein Alarm gegeben und/oder ein Eingriff in das Fertigungsverfahren vorgenommen. Das Fertigungsverfahren kann unterbrochen und der Gegenstand verworfen werden. Darüber hinaus kann das Fertigungsverfahren angepasst werden bzw. die Eingangsparameter für die Fertigung können angepasst werden.
In diesem Zusammenhang wird unter einer Abweichung von einem Referenzwert auch die Überprüfung der Messwerte auf das Vorliegen bestimmter Charakteristika verstanden, die bei der Referenz nicht gegeben sind. Beispielsweise kann eine Unstetigkeit (transient oder in der Frequenzdomäne) eines gemessenen Signals, die bei einem fehlerfreien Produkt nicht vorhanden ist, ein Hinweis auf eine Störstelle sein, die zum Abbruch der Fertigung führen sollte.
Im Hinblick darauf, dass ein additives Fertigungsverfahren im Vergleich zu konventionellen Verfahren für die Herstellung eines Produktes relativ viel Zeit erfordert, ist ein frühzeitiger Eingriff in den Produktionsprozess von besonderem Vorteil. Wenn die Produktion eines fehlerhaften Teils schon frühzeitig erkannt wird, kann die Produktion sofort abgebrochen werden. Im Gegensatz zu der Prüfung des Endprodukts wird somit Zeit und Material gespart, was die Stückkosten über eine Charge reduziert. Alternativ kann eine Schicht erneut angefahren werden.
Die physikalische Größe kann beim schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Gegenstandes in vorgegebenen Zeitabständen oder kontinuierlich gemessen wird. In der Praxis ist eine Messung in vorgegebenen Zeitintervallen ausreichend, so dass nur eine begrenzte Anzahl von Referenzgrößen ermittelt werden müssen. Eine einzige Messung beispielsweise zu einem Zeitpunkt, zu dem die Hälfte der Produktionszeit verstrichen ist, kann schon einen Vorteil bieten. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht aber eine Messung in vorgegebenen Zeitabständen oder eine kontinuierliche Überwachung vor.
Die zu überwachende Größe kann grundsätzlich jede beliebige physikalische Größe sein, die für die Qualität des Produktes repräsentativ ist.
Eine Ausführungsform sieht als physikalische Größe den elektrischen Widerstand des Produktes vor. Dies setzt voraus, dass der Gegenstand aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt wird. Wenn das Material, aus dem das Produkt hergestellt werden soll, nicht leitfähig sein sollte, kann dem nichtleitfähigen Material durch Zugabe von leitfähigen Substanzen eine elektrische Leitfähigkeit verliehen werden. Elektrisch leitfähige Kunststoffe, beispielsweise intrinsisch leitfähige Polymere, gehören zum Stand der Technik.
Wird das Produkt mit einem leitfähigen Material hergestellt, kann der Widerstand des hergestellten Produkts während der Herstellung permanent überwacht werden. Es ist sofort ersichtlich, dass der Widerstandsverlauf über die Herstellungsdauer oder die aufgelaufene Menge des verwendeten Materials für die bis dato hergestellte Form charakteristisch ist und mit einem Referenzmuster verglichen werden kann. Dies ist umso aussagekräftiger, je mehr Widerstandsmessungen an dem Produkt vorgenommen werden. Mehrere Widerstandsmessungen sind auch bei einer Kombination von leitfähigen und nicht leitfähigen Strukturen von Vorteil. Darüber hinaus ist ausschlaggebend, ob der Durchgangswiderstand oder der Oberflächenwiderstand gemessen werden. Für die Qualitätskontrolle ist vor allem der Durchgangswiderstand (Volumenwiderstand) ausschlaggebend. Da der Durchgangswiderstand der Quotient aus der angelegten Gleichspannung und dem Teil des Stromes ist, der durch den Gegenstand fließt, ist eine Messanordnung von Vorteil, die Oberflächenströme ausschließt bzw. unwirksam macht. Derartige Messanordnungen gehören zum Stand der Technik.
Der elektrische Widerstand ist von der spezifischen Leitfähigkeit des für die Herstellung des Gegenstandes verwendeten Materials, der Menge und Verteilung des aufgetragenen Materials und somit der Form des herzustellenden Produkts und der Temperatur abhängig. Des Weiteren üben auch Störstellen im Material aufgrund von Fabrikationsfehlern einen Einfluss auf die Messwerte aus, weshalb sich diese durch den Vergleich der aktuellen Messwerte mit den Referenzwerten fehlerfreier Produktmuster feststellen lassen. Als charakteristische Kenngröße kann auch die Impedanz erfasst werden. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit kann der Temperartureinfluss auf die Messwerte kompensiert werden. Darüber hinaus kann der Einfluss anderer Druckmaterialien, die einen anderen spezifischen Widerstand haben, kompensiert werden.
Eine Ausführungsform sieht eine Messanordnung vor, die mindestens eine Stromquelle oder Spannungsquelle aufweist, wobei der elektrische Widerstand des dreidimensionalen Gegenstandes zwischen zwei Messpunkten an dem Gegenstand ermittelt wird. Von Vorteil ist, wenn mehrere elektrische Widerstände zwischen jeweils zwei Messpunkten ermittelt werden, wobei die Messwerte dann mit mehreren Referenzwerten verglichen werden. Die jeweiligen Messpunkte sollten an einander gegenüberliegenden Seiten des Gegenstandes angeordnet sein, um den Durchgangswiderstand messen zu können.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Grundprinzip bei sämtlichen bekannten additiven Fertigungsverfahren angewandt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Material mit einem 3D-Drucker aufgebracht wird, der einen verfahrbaren Druckkopf zum Auftragen des Materials und eine Auflage für den herzustellenden Gegenstand aufweist. Die Anschlusskontakte der Spannungsquelle oder Stromquelle können einerseits an dem Druckkopf und andererseits an der Auflage vorgesehen sein, wenn der Druckkopf elektrisch leitend ist und die Auflage aus einem elektrisch leitenden Material besteht. Bei einer derartigen Messanordnung ist es nicht erforderlich, an dem Werkstück nachträglich Kontakte anzubringen, da eine elektrische Verbindung über den Druckkopf und die Auflage bereits hergestellt ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass über den Sprühstrahl des Druckkopfs ein elektrischer Strom fließen kann. Wenn die Auflage nicht leitfähig sein sollte, ist der oder sind die Anschlusskontakte an dem Werkstück selbst anzubringen. Mit anderen Fertigungsverfahren kann eine Materialbahn unterbrechungsfrei aufgetragen werden.
Eine alternative Ausführungsform sieht die Auswertung des Einflusses der Form und/oder Beschaffenheit des Materials des dreidimensionalen Gegenstandes auf Felder vor. Mit einer Messeinrichtung, die eine Feldquelle und einen Feldsensor aufweist, wird ein Feld erzeugt, in dem zumindest ein Teil des dreidimensionalen Gegenstands angeordnet wird.
Das Feld wird mit einem Feldsensor gemessen wird und der Messwert des Feldsensors wird mit einem Referenzwert verglichen. Anstelle nur eines Feldsensors können auch mehrere Feldsensoren vorgesehen sein, um das Feld an unterschiedlichen Orten messen zu können. Zur Erzeugung mehrerer Felder können auch mehrere Feldquellen vorgesehen sein. Geeignete Feldquellen und Feldsensoren gehören zum Stand der Technik.
Die Feldquelle ist vorzugsweise eine Feldquelle zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, so dass der Einfluss der Form oder/und Beschaffenheit des Gegenstandes auf ein oder mehrere elektromagnetische Felder überwacht werden kann. Beispielsweise können Impedanz, Phasenverschiebung oder Feldschwächung erfasst werden.
Zur Ermittlung von Referenzgrößen werden zunächst ein oder mehrere Referenz-Gegenstände hergestellt. Der oder die Feldsensoren (Antennen, Messspulen etc.) nehmen charakteristische Messwerte auf (i.d.R. ein elektrisches transientes Signal), die von der Form und/oder Beschaffenheit des hergestellten Produkts abhängen. Sind die produzierten Teile hinreichend funktionell und in Ihrer Genauigkeit ebenfalls wertig, so werden die aufgezeichneten Parameterverläufe als Referenzmuster gespeichert. Im nachfolgenden Seriendruckprozess werden die Parameter vorzugsweise kontinuierlich gemessen und mit der Referenz vorzugsweise fortlaufend abgeglichen. Wenn die Messwerte zu stark vom Muster abweichen, kann der Druck angehalten werden.
Ferner ist es möglich, den Druck des Bauteils vorher „trocken“ durchzufahren, d. h. der Druckkopf und die gesamte Herstellungsmaschine simuliert den Druck, indem sie genau die Schritte ausführt, die nötig wären um den Gegenstand herzustellen, ohne jedoch dabei Material aufzutragen. Diese „Nullreferenz“ kann mit der späteren Referenz verrechnet werden, um noch sensitiver gegenüber auftretenden Abweichungen zu werden.
Die Felderzeugung kann frequenzvariabel sein, beispielsweise kann die Frequenz des elektromagnetischen Feldes einen vorgegebenen Frequenzbereich durchlaufen (Sweep). Ebenso ist eine Multifrequenzanregung, d. h. die Überlagerung mehrerer Frequenzen, möglich. Es ist weiterhin möglich, dass ein Testsignal auf eine besonders geeignete Trägerfrequenz moduliert wird. Geeignete Testsignale können durch entsprechende Laborversuche bestimmt werden, die sich auf die größtmögliche Empfindlichkeit richten. Die Auswertung der Messsignale kann mit gängigen Methoden der Signalverarbeitung, beispielsweise Analyse des Amplituden- und Phasenverlaufs, Frequenzanalyse (Fourieranalyse), Filtern von Rauschen (beispielsweise ein 50Hz Filter zur Ausblendung von Netzstörungen), etc. erfolgen. Beispielsweise können bekannte Verfahren, wie die sogenannte Error-Peak-Auswertung (wie oft wird kurzzeitig ein vorgegebener zulässiger Bereich unter oder überschritten) verwandt werden, oder eine mittlere Abweichung berechnet werden.
Zur Erfassung einer sich verändernden Resonanzfrequenz kann am Druckkopf ein Signalgenerator angeschlossen werden, der Impulse in unterschiedlichen Frequenzbändern aussendet. Mit einem Empfänger in der Nähe des herzustellenden Gegenstandes kann die Dämpfungsrate einer oder mehrerer Schwingungen gemessen werden. In der einfachsten Ausführungsform wird abwechselnd über einen Sender und Empfänger am Druckkopf gesendet und empfangen. Die Resonanzfrequenz ist stark von der Form und den elektrischen Eigenschaften der aufgetragenen Schicht abhängig. Kleinste Änderungen können hierbei sofort detektiert werden. Um die Toleranzbänder des Bauteils im Hinblick auf die Abweichung zur Referenz zu definieren, kann stichprobenartig eine Funktions- und Genauigkeitsuntersuchung stattfinden.
Eine weitere Ausführungsform sieht den Druck eines eindeutigen und für den dreidimensionalen Gegenstand individuellen Identifikationsmerkmals oder Informationsträgers mit einem additiven Fertigungsverfahren (3D-Druck), beispielsweise in Form eines maschinenlesbaren Codes, vorzugsweise eines Barcodes oder 2D-Codes (Stapelcode, Matrixcode), auf den dreidimensionalen Gegenstand vor. Ein solcher maschinenlesbarer Code kann optisch abtastbar sein, möglich sind aber auch nicht unbedingt optisch detektierbare Codes, beispielsweise gebildet aus leitfähigen Flächen in einer ansonsten elektrisch nicht leitfähigen Oberfläche des dreidimensionalen Gegenstands, die beispielsweise einen Barcode ausbilden und elektrisch abtastbar sind. Der Vorteil des 3D-Drucks eines Identifikationsmerkmals oder Informationsträgers liegt darin, dass das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger eine Einheit mit dem Gegenstand bildet. Durch das Identifikationsmerkmal oder den Informationsträger kann der Gegenstand mit dem Herstellungsprozess eindeutig verknüpft werden. Diese Verknüpfung kann beim Hersteller hinterlegt werden, beispielsweise in einer Datenbank. Folglich kann das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger als Originalitätsnachweis dienen. Darüber hinaus kann das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger dazu dienen, den Gegenstand zu identifizieren. In einer Ausführungsform wird der Druck des Identifikationsmerkmals oder Informationsträgers nur dann vorgenommen, wenn der dreidimensionale Gegenstand den Qualitätsanforderungen genügt, d. h. eine Abweichung der gemessenen physikalischen Größe oder einer von der gemessenen physikalischen Größe abgeleiteten Größe oder einer aus mehreren gemessenen oder abgeleiteten physikalischen Größen ermittelten Größe von einer Referenzgröße einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Identifikationsmerkmal charakteristisch für den Grad der Abweichung der gemessenen physikalischen Größe oder einer von der gemessenen physikalischen Größe abgeleiteten Größe oder einer aus mehreren gemessenen oder abgeleiteten physikalischen Größen ermittelten Größe von einer Referenzgröße sein. So werden Produkte mit unterschiedlichen Qualitätsstandards gekennzeichnet. Durch Überprüfen des Identifikationsmerkmals oder des Informationsträgers des Produkts kann daher abgeleitet werden, welchen Qualitätsanforderungen das Produkt genügt und ob es die Qualitätskontrolle erfolgreich durchlaufen hat. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Gerät, insbesondere ein medizintechnisches Gerät, welches mit einem derart hergestellten dreidimensionalen Gegenstand interagieren soll, derart eingerichtet ist, dass es das Identifikationsmerkmal oder den Informationsträger einliest und abhängig von einer Überprüfung den dreidimensionalen Gegenstand akzeptiert oder die Interaktion verweigert. Hierzu kann das Gerät beispielsweise Zugriff auf eine Datenbank haben, in der die Identifikationsmerkmale zertifizierter Produkte sowie Informationen über deren Benutzung gespeichert sind. Somit wird die Gefahr von der Verwendung nicht vom Hersteller zertifizierter Produkte sowie die Gefahr von nicht erlaubter Wiederbenutzung verringert.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen in vereinfachter schematischer Darstellung und
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur additiven Fertigung.

Die Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen, insbesondere Medizinprodukten, weist eine Auflageeinrichtung 1 zur Auflage des herzustellenden Gegenstandes 2 und eine Druckeinrichtung 3 auf.
1 zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung eine erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur additiven Fertigung. Die Auflageeinrichtung 1 verfügt über eine aus einem leitenden Material bestehende Auflage 1A, beispielsweise eine leitfähige Platte, die an einem Gestell 1B befestigt ist. Die Druckeinrichtung 3 weist einen oberhalb der Auflage angeordneten Druckkopf 3A auf, mit dem ein leitfähiges Material schichtweise aufgebracht werden kann. Der Antrieb des Druckkopfes erfolgt mit einer Antriebseinrichtung 3B, die derart ausgebildet ist, dass der Druckkopf 3A in einem X/Y/Z-Koordinatensystem verfahren werden kann. Für die Ansteuerung der Antriebseinrichtung 3B des Druckkopfes ist 3A ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die Bestandteil der zentralen Steuereinrichtung 4 der Vorrichtung zur additiven Fertigung sein kann. Die Steuereinrichtung 4 ist derart konfiguriert, dass mit dem Druckkopf Material Schicht für Schicht aufgebracht wird, so dass ein Gegenstand mit einer vorgegebenen Form „gedruckt“ wird (3D-Drucker).
Die zentrale Steuereinrichtung 4 kann allgemeine Prozessoren, digitale Signalprozessoren (DSP) zur kontinuierlichen Bearbeitung digitaler Signale, Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), aus Logikelementen bestehende integrierte Schaltkreise (FPGA) oder andere integrierte Schaltkreise (IC) oder Hardware-Komponenten aufweisen. Auf den Hardware-Komponenten kann ein Datenverarbeitungsprogramm (Software) laufen, um die für Steuerung erforderlichen Operationen auszuführen.
Darüber hinaus weist die Vorrichtung zur additiven Fertigung eine Messeinrichtung 5 auf, die derart ausgebildet ist, dass beim schichtweisen Aufbau des Gegenstandes 2 eine physikalische Größe, die von der Form und/oder Beschaffenheit des dreidimensionalen Gegenstandes beeinflusst wird, gemessen wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Messeinrichtung 5 eine erste Spanungsquelle U₁ und eine zweite Spanungsquelle U₂ und einen ersten Strommesser A₁ und einen zweiten Strommesser A₂ auf. Die Spannungsquellen haben jeweils zwei Anschlusskontakte, wobei der eine Anschlusskontakt der ersten Spanungsquelle und der eine Anschlusskontakt der zweiten Spanungsquelle mit dem Druckkopf (a, a) elektrisch verbunden sind und der andere Anschlusskontakt der ersten Spanungsquelle an einer Seite der Auflage 1A (b) und der andere Anschlusskontakt der zweiten Spanungsquelle an einer anderen Seite der Auflage 1A (c) angeschlossen sind, was in 1 gezeigt ist. Da der Druckkopf 3A aus einem elektrisch leitenden Material besteht, kann ein elektrischer Strom I von dem einen Anschlusskontakt (a, a) durch den Druckkopf 3A, den Sprühstrahl 3AA und den Gegenstand 2 zu dem anderen Anschlusskontakt (b bzw. c) fließen. Die beiden Strommesser A₁ und A₂ messen die beiden Ströme I₁ und I₂. Anstelle einer Spannungsquelle kann auch eine Stromquelle vorgesehen sein.
Zur Auswertung der Messergebnisse weist die Vorrichtung zur additiven Fertigung eine Auswerteeinrichtung 6 auf, die die Messwerte empfängt. Die Auswerteeinrichtung 6, die auch Bestandteil der Steuereinrichtung 4 sein kann, ist derart konfiguriert, dass nach dem ohmschen Gesetz ein erster und ein zweiter Wert für den elektrischen Widerstand R₁, R₂ zwischen den jeweiligen Anschlusspunkten (a, b, c) berechnet wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 6 weiterhin derart konfiguriert, dass der erste und der zweite Wert jeweils mit einem Referenzwert verglichen werden. Es ist aber auch möglich aus dem ersten und zweiten Wert eine charakteristische Größe, beispielsweise durch Berechnung eines Mittelwertes, zu ermitteln, die mit einem Referenzwert verglichen wird. Die Messwerte werden in vorgegebenen Zeitabständen oder kontinuierlich gemessen und in einer Speichereinrichtung 7 gespeichert. Die gespeicherten Daten umfassen nicht nur die Messwerte, sondern auch den Zeitpunkt der Messung (Zeitstempel). Bei einer kontinuierlichen Messung wird der zeitliche Verlauf des Messsignals oder der Messignale gespeichert.
Der zuvor ermittelte Referenzwert oder die Referenzwerte, die für einen Gegenstand charakteristisch sind, der den Qualitätsanforderungen genügt, sind in der Speichereinrichtung 7 abgespeichert. Die Auswerteeinrichtung 6 vergleicht die Messwerte zu den einzelnen Zeitpunkten mit den für diese Zeitpunkte hinterlegten Referenzwerten bzw. den Signalverlauf der Messung und mit dem Signalverlauf der Referenz. Wenn eine vorgegebene Toleranz überschritten wird, erzeugt die Auswerteinrichtung 6 ein Alarmsignal, das eine Alarmeinrichtung 8 empfängt, und/oder ein Steuersignal, das die Steuereinrichtung 4 empfängt. Die Alarmeinrichtung 8 gibt dann einen akustischen und/oder optischen Alarm und/oder die Steuereinrichtung 4 hält den Druckkopf 3A an, um die Fertigung des Gegenstandes zu unterbrechen.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Messeinrichtung anstelle einer oder mehrerer Gleichspannungsquellen (Gleichstromquellen) einen oder mehrere Frequenzgeneratoren zur Erzeugung einer oder mehrerer Wechselspannungen, um anstelle des Gleichstromwiderstands den Wechselstromwiderstand (Impedanz) zu ermitteln, der ebenfalls eine charakteristische Kenngröße ist. Die Impedanz kann für eine oder mehrere Wechselspannungen, die unterschiedliche Frequenzen haben können, ermittelt werden. Beispielsweise kann die Messeinrichtung einen Signalgenerator zur Erzeugung einer sinusförmigen Wechselspannung aufweisen.
Nachfolgend wird eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung zur additiven Fertigung unter Bezugnahme auf 2 beschrieben, die sich von dem Ausführungsbeispiel von 1 dadurch unterscheidet, dass die gemessene physikalische Größe, die für die Form und/oder die Materialeigenschaften des Gegenstandes charakteristisch ist, nicht der Widerstand ist, sondern der Einfluss des Gegenstandes auf ein elektromagnetisches Feld ausgewertet wird. Die einander entsprechenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Messeinrichtung 5' der Vorrichtung zur additiven Fertigung weist eine Feldquelle 9 (Sender) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Felds und einen Feldsensor 10 (Empfänger) zum Empfangen eines elektromagnetischen Feldes auf. Feldquelle 9 und Feldsensor 10 sind so angeordnet, dass ein elektromagnetisches Feld erzeugt wird, in dem sich zumindest ein Teil des herzustellenden Gegenstandes 2 befindet. Die Feldquelle 9 kann an dem Druckkopf 3A und der Feldsensor 10 in der Nähe des herzustellenden Gegenstandes 2 angeordnet sein.
In Analogie zu dem ersten Ausführungsbeispiel empfängt die Auswerteeinrichtung 6 die in vorgegebenen Zeitintervallen gemessenen Messwerte oder das kontinuierlich gemessene Messsignal des Feldsensors 10 und vergleicht die Messwerte mit Referenzwerten, die zuvor empirisch ermittelt worden sind, bzw. das Messsignal mit einem zuvor empirisch ermittelten Referenzsignal, wobei die Referenzwerte oder das Referenzsignal in der Speichereinrichtung 6 gespeichert sind. Das Steuer- und/oder Alarmsignal wird erzeugt, wenn die Abweichung größer als ein tolerierbarer Wert bzw. Wertebereich ist.
Wenn die Abweichung nicht größer als ein tolerierbarer Wert bzw. Wertebereich ist, wird im 3D-Druckverfahren ein Identifikationsmerkmal oder ein Informationsträger, beispielsweise in Form eines maschinenlesbaren Codes, vorzugsweise eines Barcodes oder 2D-Codes (Stapelcode, Matrixcode) auf den dreidimensionalen Gegenstand gedruckt. Anhand des Identifikationsmerkmals oder Informationsträgers kann dann verifiziert werden, ob das Produkt den Qualitätsanforderungen genügt, d. h. das Produkt die Qualitätskontrolle bestanden hat. Ansonsten wird das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger nicht gedruckt.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung ist derart ausgebildet ist, dass die Auswerteeinrichtung 6 ein zweites Steuersignal für die Steuereinrichtung 4 erzeugt, wenn eine Abweichung der gemessenen physikalischen Größe oder einer von der gemessenen physikalischen Größe abgeleiteten Größe oder einer aus mehreren gemessenen oder abgeleiteten physikalischen Größen ermittelten Größe von einer Referenzgröße eine vorgegebene Toleranz nicht überschreitet oder die gemessene Größe gleich der Referenzgröße ist. Wenn die Steuereinrichtung 4 das zweite Steuersignal empfängt, steuert die Steuereinrichtung 4 die Druckeinrichtung 3 derart an, dass die Druckeinrichtung 3 ein Identifikationsmerkmal oder einen Informationsträger in Form eines maschinenlesbaren Codes im 3D-Druck druckt. Das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger weist dann darauf hin, dass das Produkt den Qualitätsanforderungen entspricht.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Auswerteeinrichtung 6 ein zweites Steuersignal für die Steuereinrichtung 4 erzeugt, wenn eine Abweichung der gemessenen physikalischen Größe oder einer von der gemessenen physikalischen Größe abgeleiteten Größe oder einer aus mehreren gemessenen oder abgeleiteten physikalischen Größen ermittelten Größe von einer Referenzgröße eine vorgegebene Toleranz nicht überschreitet, wobei das das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger derart ausgebildet ist, dass das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger für den Grad der Abweichung charakteristisch ist. Das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger weist dann auch auf die Qualität des Produktes hin.
Das Identifikationsmerkmal kann mit einem Lesegerät einer Vorrichtung, insbesondere eines medizintechnisches Geräts, die mit einem derart hergestellten dreidimensionalen Gegenstand interagieren soll, gelesen werden. Die Vorrichtung kann den dreidimensionalen Gegenstand dann akzeptieren oder die Interaktion verweigern. Hierzu kann die Vorrichtung Zugriff auf eine Datenbank haben, in der die Identifikationsmerkmale zertifizierter Produkte sowie Informationen über deren Benutzung gespeichert sind, und das gelesene Identifikationsmerkmal mit den gespeicherten Identifikationsmerkmalen vergleichen. Bei einer Übereinstimmung kann die Vorrichtung eine Interaktion mit dem Gegenstand akzeptieren.

Claims

Additives Fertigungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Gegenständen, insbesondere zur Herstellung von Medizinprodukten, bei dem Material der Form des herzustellenden Gegenstandes (2) entsprechend Schicht für Schicht aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Gegenstandes (2) eine physikalische Größe gemessen wird, die von der Form und/oder Beschaffenheit des Gegenstandes beeinflusst wird, wobei die gemessene physikalische Größe oder eine von der gemessenen physikalischen Größe abgeleitete Größe oder eine aus mehreren gemessenen oder abgeleiteten physikalischen Größen ermittelte Größe mit einer Referenzgröße verglichen wird, die für die Form und/oder Beschaffenheit eines dreidimensionalen Referenz-Gegenstandes charakteristisch ist, und bei einer Abweichung, die eine vorgegebene Toleranz überschreitet, ein Alarm gegeben und/oder ein Eingriff in das Fertigungsverfahren vorgenommen wird.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung, die eine vorgegebene Toleranz überschreitet, das Fertigungsverfahren unterbrochen und der Gegenstand (2) verworfen wird.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Größe beim schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Gegenstandes (2) in vorgegebenen Zeitabständen oder kontinuierlich gemessen wird.
Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Messeinrichtung (5), die mindestens eine Spannungsquelle (U₁, U₂) oder Stromquelle aufweist, der elektrische Widerstand (R₁, R₂) des dreidimensionalen Gegenstandes zwischen zwei Messpunkten ermittelt wird, oder mehrere elektrische Widerstände zwischen jeweils zwei Messpunkten ermittelt werden, wobei der Messwert oder die Messwerte mit einem oder mehreren Referenzwerten verglichen werden.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mit einem 3D-Drucker aufgebracht wird, der einen verfahrbaren Druckkopf (3A) zum Auftragen des Materials und eine Auflage (1A) für den herzustellenden Gegenstand (2) aufweist, wobei die Anschlusskontakte der Spannungsquelle (U₁, U₂) oder Stromquelle einerseits an dem Druckkopf (3A) und andererseits an der Auflage (1A) vorgesehen sind.
Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Messeinrichtung (5'), die mindestens eine Feldquelle (9) und mindestens einen Feldsensor (10) aufweist, mindestens ein Feld erzeugt wird, in dem zumindest ein Teil des dreidimensionalen Gegenstands angeordnet wird, wobei das mindestens eine Feld mit dem mindestens einen Feldsensor gemessen wird und der Messwert oder die Messwerte des Feldsensors oder der Feldsensoren mit einem oder mehreren Referenzwerten verglichen werden.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldquelle (9) eine Feldquelle zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes ist.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des elektromagnetischen Feldes einen vorgegebenen Frequenzbereich durchläuft.
Additives Fertigungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dreidimensionale Gegenstand durch das additive Fertigungsverfahren mit einem Identifikationsmerkmal oder Informationsträger versehen wird.
Additives Fertigungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dreidimensionale Gegenstand nur dann mit einem Identifikationsmerkmal oder Informationsträger versehen wird, wenn eine Abweichung der gemessenen physikalischen Größe oder einer von der gemessenen physikalischen Größe abgeleiteten Größe oder einer aus mehreren gemessenen oder abgeleiteten physikalischen Größen ermittelten Größe von einer Referenzgröße eine vorgegebene Toleranz nicht überschreitet oder die gemessene Größe gleich der Referenzgröße ist, oder der dreidimensionale Gegenstand mit einem Identifikationsmerkmal oder Informationsträger versehen wird, wenn eine Abweichung der gemessenen physikalischen Größe oder einer von der gemessenen physikalischen Größe abgeleiteten Größe oder einer aus mehreren gemessenen oder abgeleiteten physikalischen Größen ermittelten Größe von einer Referenzgröße eine vorgegebene Toleranz nicht überschreitet, wobei das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger derart ausgebildet ist, dass das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger für den Grad der Abweichung charakteristisch ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen, insbesondere Medizinprodukten, die eine Auflageeinrichtung (1) zur Auflage des herzustellenden Gegenstandes (2) und eine Druckeinrichtung (3) zum schichtweisen Auftragen von Material entsprechend der Form des herzustellenden Gegenstandes und eine Steuereinrichtung (4) zum Ansteuern der Druckeinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Gegenständen ferner aufweist: eine Messeinrichtung (5, 5'), die derart ausgebildet ist, dass beim schichtweisen Aufbau des Gegenstandes (2) eine physikalische Größe, die von der Form und/oder Beschaffenheit des dreidimensionalen Gegenstandes beeinflusst wird, gemessen wird, eine Speichereinrichtung (7) zum Speichern von Referenzgrößen, die für die Form und/oder Beschaffenheit eines dreidimensionalen Referenz-Gegenstandes charakteristisch sind, und eine Auswerteeinrichtung (6), die derart ausgebildet ist, dass die gemessene physikalische Größe oder eine von der gemessenen physikalischen Größe abgeleitete Größe oder eine aus mehreren gemessenen oder abgeleiteten physikalischen Größen ermittelte Größe mit einer in der Speichereinrichtung (7) gespeicherten Referenzgröße verglichen wird, wobei bei einer Abweichung, die eine vorgegebene Toleranz überschreitet, ein Alarmsignal für eine Alarmeinrichtung und/oder ein Steuersignal für die Steuereinrichtung (4) erzeugt wird.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (4) derart konfiguriert ist, dass nach dem Empfang des Steuersignals das Fertigungsverfahren unterbrochen wird.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5, 5') derart ausgebildet ist, dass die physikalische Größe beim schichtweisen Aufbau des dreidimensionalen Gegenstandes (2) in vorgegebenen Zeitabständen oder kontinuierlich gemessen wird.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5) mindestens eine Spannungsquelle (U₁, U₂) oder Stromquelle aufweist, wobei die Messeinrichtung (5) derart ausgebildet ist, dass der elektrische Widerstand (R₁, R₂) des dreidimensionalen Gegenstandes (2) zwischen zwei Messpunkten ermittelt wird, oder mehrere elektrischen Widerstände zwischen jeweils zwei Messpunkten ermittelt werden, wobei der Messwert oder die Messwerte mit einem oder mehreren Referenzwerten verglichen werden.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtung (3) einen verfahrbaren Druckkopf (3A) aufweist, der elektrisch leitend ist, wobei die Anschlusskontakte der Spannungsquelle (U₁, U₂) oder Stromquelle einerseits an dem Druckkopf (3A) und andererseits an einer elektrisch leitenden Auflage (1A) der Auflageeinrichtung (1) vorgesehen sind.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (5') mindestens eine Feldquelle (9) und mindestens einen Feldsensor (10) aufweist, wobei die Messeinrichtung (5') derart ausgebildet und angeordnet ist, dass mindestens ein Feld erzeugt wird, in dem sich zumindest ein Teil des schichtweise aufgebauten Gegenstandes (2) befindet, wobei das mindestens eine Feld mit dem mindestens einen Feldsensor gemessen wird und der Messwert oder die Messwerte des Feldsensors oder der Feldsensoren mit einem oder mehreren Referenzwerten verglichen werden.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldquelle (9) eine Feldquelle zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldquelle (9) derart ausgebildet ist, dass die Frequenz des elektromagnetischen Feldes einen vorgegebenen Frequenzbereich durchläuft.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) derart ausgebildet ist, dass ein zweites Steuersignal für die Steuereinrichtung (4) erzeugt wird, wenn eine Abweichung der gemessenen physikalischen Größe oder einer von der gemessenen physikalischen Größe abgeleiteten Größe oder einer aus mehreren gemessenen oder abgeleiteten physikalischen Größen ermittelten Größe von einer Referenzgröße eine vorgegebene Toleranz nicht überschreitet oder die gemessene Größe gleich der Referenzgröße ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (4) derart konfiguriert ist, dass die Druckeinrichtung (3) zum schichtweisen Auftrag eines Identifikationsmerkmals oder Informationsträgers durch das additive Fertigungsverfahren veranlasst wird, wenn das zweite Steuersignal erzeugt wird.
Vorrichtung zur additiven Fertigung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger derart ausgebildet ist, dass das Identifikationsmerkmal oder der Informationsträger für den Grad der Abweichung charakteristisch ist.