Messtechnik

Prozessoptimierung 3D-Metalldruck

Prozessoptimierung 3D-Metalldruck

ThomasMihatsch

Wenn Ihr eine 3D-Metaldrucker einsetzen wollt, der eine sehr gute Qualität liefert, müsst Ihr eine große anzahl von Parameter im Auge behalten. Das ins z.B. das Material, die Energie, der Weg, die Temperatur, die Layerdicke, etc.. Dem aber noch nicht genug, auch die Geometrie hat eine massiven Einfluss auf das Ergebnis. Damit Ihr das nicht alles selber aus der Erfahrung entscheiden müsst, wird man eine Simulations-Software einsetzen. Aber auch die Ergebnisse der Simulation müssen validiert werden.

Bauplatte

Es gibt eine Reihe von Test- Artefakten, die Ihr zum justieren der Simulation drucken könnt. Aus den Abweichungen zwischen dem Soll und dem Ist ermittelt Ihr die Abweichungen. Das macht Ihr so lange, bis ihr nahe am Optimum seid. Weit weg vom Optimum ist auf dem Bild rechts der erste Balken, der hat sich bei Drucken von der Platte gelöst.

Auswertung 3D-Scan

Die Auswertung mit mit dem 3D-Scan zeigt euch anhand der Falschfarbenbilder wo Ihr große Abweichungen habt. Ich setze dazu das Control X von 3D Systems ein. Zugeben, neben dem 3D-Scannen können diese Abweichungen auch mit einer taktilen Messmaschine bestimmt werden. Meiner Erfahrung nach hat das 3D-Scannen eine Reihe von Vorteilen.

  1. Der Falschfarbenplot zeigt euch die Stellen, an denen Ihr die größten Abweichungen habt.
  2. Nach dem Ihr das Teil mit dem Scanner erfasst habt könnt Ihr beliebig die Ausrichtung verändern, um ein Feature auszuwerten und dabei nur die Formabweichung bewerten. Den Lagefehler kompensiert Ihr dabei durch die neue Ausrichtung.
  3. Entdeckt Ihr bereicht die Ihr weiter untersuchen wollt könnt Ihr das auf Basis der vorhandenen Scandaten erledigen ohne das Teil nochmal an die Messmaschine zu bringen.
  4. Die 3D-Scandaten könnt ihr Platzsparend auf der Festplatte archivieren.
  5. Die 3D-Scandaten könnt einfach verschicken und euch einen Rat vom Hersteller oder einem Partner einholen.
  6. Druckt Ihr das selbe Teil zweimal, könnt Ihr auch eine Auswertung zwischen den beiden IST Daten vornehmen

Neben den Auswertungen, für die Optimierung des Druckprozesses könnt Ihr den 3D-Scanner natürlich auf für die Qualitätssicherung von Bauteilen, die im Auftrag drucken sollt einsetzen. … und nicht zu vergessen könnt Ihr den Scanner für das Reverse Engineering einsetzen.

3D-Scan to 3D-Print

3D-Scan to 3D-Print

ThomasMihatsch

Ihr habt ein Teil, das ihr ersetzen wollt? Also wird das Teil mit dem 3D-Scanner erfasst und dann auf dem 3D-Drucker ausgegeben. So einfach kann die Welt sein und das beste, bei vielen Teilen funktioniert das genau so.

Scan to Print

3D-Scan to 3D-Print Schritte

Wenn das Bauteil direkt aus dem 3D-Scan-Daten gedruckt werden soll müsst Ihr beim Scannen viel Zeit in einen perfekten Scan investieren. Der sollte möglichst keine oder nur kleine Löcher haben. Bei dem Scanner müsst Ihr darauf achten, dass dieser eine ausreichende Genauigkeit hat und über eine ausreichend hohe Auflösung verfügt.

Technisch ist das einfach, da der Scanner genau das Format erzeugt, dass der Silcer benötigt um den Drucker anzusteuern. Der Scanner erzeugt das STL-File, das Ihr direkt in den Slicer importieren könnt.

Der ganz einfache Fall

Manchmal hat man Glück und das Teil ist so einfach, dass man es direkt mit dem Scanner Aufnehmen kann und 1:1 an den Drucker schickt. Vor einiger Zeit ist bei meiner Markise der Abschluss des ALU Profils aufgeflößt. Eigentlich ein einfaches billiges Teil. Aber wer ist der Hersteller der Markise und hat der noch Ersatzteile. Wenn Ihr schon mal versucht habt so ein Teil zu bestellen, könnt Ihr sicher bestätigen, dass der Aufwand vermutlich grösser ist als das Teil zu scannen und auf einem 3D-Drucker auszugeben.

3D-Scan to 3D-Print Abschlussprofil Markiese
Abschlusskappe ALU-profil

Die Genauigkeit

Bei der Genauigkeit ist meistens nicht der Scanner sondern der Drucker die limitierende Größe. Da müsst Ihr vorher überlegen, ob die Genauigkeit von dem Drucker oder dem Scanner relevant sind. Bei den FDM Druckern habt Ihr zwei Angaben zur Genauigkeit, die Layerdicke und die Auflösung in X,Y auf dem Drucktisch. Anlog gilt das für alle anderen Verfahren.

Die Auflösung

Wenn ihr die notwendige Auflösung bestimmen wollt, schaut Ihr euch die kleinsten Merkmale an, die angebildet werden sollen. Mach wir ein Beispiel: Das Bauteil hat einen Zapfen, der einen Durchmesser von 2mm hat. Wenn dieser Zapfen erfasst wird braucht Ihr ca. 10 Dreieckskanten auf dem Umfang. Der Umfang des Kreises beträgt 2mm * π = 6,3mm. Damit wird eine Auflösung des Scanners von 0,6mm erforderlich sein und das ist schon ganz schön hoch aufgelöst.

Scanner Auflösung
Overscanning

Höher als notwendig aufzulösen verlängert alle Arbeitsschritte und bringt keinen Qualitätgewinn. Das baue Teil hat ca. 150’000 Dreiecke, das Grüne hat 1’500’000 Dreiecke. Nach dem Drucken werdet Ihr zwischen den Teilen keine Unterschied mehr sehen. Aber bei dem Grünen Teil wird der Slicer lange benötigen um den G-Code zum drucken zu erzeugen.

Auf die richtige Auflösung kommt es an!

Wasserdichter Scan

Eingangs habe ich schon erwähnt, dass Scanner und Drucker beide mit dem STL Format arbeiten. Für den Slicer ist es aber notwendig ein Wasserdichtes Netz zu erzeugen. Wenn sich in dem Objekt tiefe Bohrungen befinden, ist es unter Umständen nicht möglich diese mit dem Scanner zu erfassen.

In diesem Beitrag könnt Ihr nachlesen, wie Ihr das Problem umgehen könnt.

Ist der Scan fertiggestellt, könnt Ihr mit dem Geomagic Design X ,dem Geomagic Wrap oder dem VX Model diese Löcher schließen und ein Wasserdichtes Netz erzeugen. Wem diese Werkzeuge zu teuer sind der kann sein Glück mit Meshlab probieren. Das gibt es unter remesh close hohle einen Befehl zum schließen von löchern. Das geschieht aber in vielen Fällen sehr originell.

3D Druck erstellen

Wenn Ihr ein 3D-Druck erstellen wollt, ist es relevant das richtige Materiel und die richtige Technologie auszuwählen. Bei sehr teuren Verfahren, wie dem Metaldruck, drucke ich das Teil erstmal mit einem günstigen PLA Filament. Wenn das OK ist wird in dem teuren Verfahren gedruckt.

Qualitätssicherung

Wenn Ihr ein Zahnrad für die Salatschleuder druckt werdet Ihr keine Qualitätssicherung durchführen müssen. Wenn das Bauteil kritischer ist macht es Sinn nach dem Drucken das Bauteil mit dem Scanner zu erfassen und eine Qualitätssicherung mit den Scandaten durchzuführen.

Anwendung für weiche Spannbacken

In diesem Fall benötigt Ihr nicht das Teil selber sondern eine Vorrichtung mit dem Ihr das Teil sicher für eine CNC Bearbeitung spannen könnt. Dazu wird das Teil mit dem Scanner aufgenommen. Entweder bastelt Ihr so lange am Netz bis alles passt oder Ihr erzeugt im Design X oder im Wrap mit exakten Oberflächen ein Volumenmodel, das Ihr dann von einem anderen Volumen abzieht. Der resultierende Körper enthält dann die negativ Form, die Ihr zum spannen braucht.

Ich werde dazu in nächster Zeit mal ein Video einstellen.

3D-Scannen von tiefen Bohrungen

3D-Scannen von tiefen Bohrungen

ThomasMihatsch

Wenn Ihr sehr tiefe Bohrungen scannen wollt, wird euch das nur gelingen, wenn Ihr das gut vorbereitet. Wer ein genügend großes Budget hat, der kann einen Computer Thomographen dafür einsetzten. In der Schweiz arbeite ich mit der MessX in Rorsch zusammen.

Wo ist das Problem?

Jeder 3D-Scanner hat zumindest eine Kammera, die eine Laserlinie beobachtet. Zwischen der Achse der Laserlinie und der optischen Achse der Kamera ist ein Winkel. Je weiter ein Punkt auf der Laserlinie von der Mitte des Kammerassessors entfernt ist, desto weiter ist der Punkt entfernt.

Prinzipdarstellung eines Lasertriangulationssensors. Der Laserstrahl wird auf das Messobjekt projiziert. Das Objektiv bildet den Lichtfleck auf den CCD- oder PSD-Sensor ab. Eine Verschiebung des Objekts führt auch zu einer Verschiebung des Bildes auf dem Sensor.
Quelle Wikimedia Georg Wiora (Dr. Schorsch)

Aus dem Bild erkennt Ihr das Problem. Das Laser kann natürlich bis auf den Grund der Bohrung eine Linie projizieren. Da aber die Kamera gegenüber dem Laser geneigt ist, sieht die Kamera dann nicht mehr bis auf den Boden, oder umgekehert.

Wer das im Detail nachlesen will findet bei der Hochschule Darmstadt ein Projekt, bei dem ein Ultimaker zu einem 3D-Scanner umgebaut wird.

Wie lösen wir das Problem?

Abformen

Mein Favorit ist eine Abformmasse der Firma Plastiform. Die wird genau für diesen Zweck hergestellt und hat eine sehr hohe Maßhaltigkeit. Die Firma stellt verschieden Produkte her, die für verschieden Einsatzzwecke geeignet sind, unter anderem könnt Ihr damit auch eine Oberfläche abformen und dann im Labor die Rauheit ermitteln.

Wie das genau funktioniert und welche Produkte es gibt, könnt Ihr auf deren Webseite nachlesen.

Abfrommasse
3D-Scan

Zersägen

Dekupiersäge

Bei Kunststoffteilen, gehe ich auch gerne den harten Weg und säge das Teil auseinander. Wenn man dabei geschickt vorgeht ist das eine sehr einfache und kostengünstige alternative.

Wenn Ihr ein gutes Ergebnis erzielen wollt, geht Ihr in diesen Schritten vor:

  1. Das Teil wird mir dem Scanner erfasst
  2. Ihr zersägt das Teil
  3. Die Einzelteile werden wieder gescannt
  4. In dem Design X werden an allen Sägeschnitten 3 bis 10 Reihen der Dreiecke gelöscht. Das macht das Design X selbständig
  5. Dann werden alle Scans an dem ersten Scan ausgerichtet
  6. Alle Scans werden zu einem Scan verschmolzen

und schon habt Ihr ein perfekten Scan einer tiefen Bohrung mit allen Details.

Extra eine Säge kaufen?

Preisfrage: Was denkst Du kostet mehr der Koffer von Plastiform oder eine Säge? Wenn Du schon so fragst…