AT518789A4

AT518789A4 - Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers

Info

Publication number: AT518789A4
Application number: ATA542/2016A
Authority: AT
Original assignee: Konrad Schreiner
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-01-15
Also published as: US20220118702A1; AT518789B1; US20210114299A1; WO2018098511A1; EP3548256A1; US11241831B2

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers umfassend eine Bauplattform, wenigstens einen Druckkopf zum schichtweisen Aufbringen von Material auf die Bauplattform oder den auf der Bauplattform zumindest teilweise aufgebauten Formkörper, einen positionierbaren Träger für den wenigstens einen Druckkopf, ein Positioniersystem für den Träger, eine Aufnahme für einen Materialvorrat und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Material aus dem Materialvorrat zu dem wenigstens einen Druckkopf, sind die Aufnahme für den Materialvorrat, die Zuführeinrichtung und der Druckkopf in einer als auswechselbarer Einsatz ausgebildeten Einheit angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers umfassend eine Bauplattform, wenigstens einen Druckkopf zum schichtweisen Aufbringen von Material auf die Bauplattform oder den auf der Bauplattform zumindest teilweise aufgebauten Formkörper, einen positionierbaren Träger für den wenigstens einen Druckkopf, ein Positioniersystem für den Träger, eine Aufnahme für einen Materialvorrat und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Material aus dem Materialvorrat zu dem wenigstens einen Druckkopf.

Generative Fertigungsverfahren, auch 3D-Druckverfahren genannt, zeichnen sich dadurch aus, dass der Aufbau eines Formkörpers schichtweise erfolgt, üblicherweise wird wiederholt jeweils zeilen- oder punktweise eine Arbeitsebene abgefahren und ortsselektiv Material ausgebracht und die Arbeitsebene danach nach oben verschoben. Die Schichtdicken liegen je nach Anwendungsfall zwischen 0,025 und 1,25 mm. Grundlage für 3D-Druckverfahren sind Computermodelle des zu fertigenden Objekts, welche beispielsweise unter Zuhilfenahme einer CAD-Software generiert werden können. Dabei wird ein Höhenschichtplan des zu fertigenden Objekts hergestellt, bei dem für jede Schicht ein Fertigungsraster erzeugt wird, welcher definiert, an welchen Zellen des Rasters ortselektiv Fertigungsmaterial abgelegt und verfestigt werden soll.

Die Erfindung bezieht sich vorzugsweise auf ein 3D-Druckverfahren, das als Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet wird, bei dem ein Formkörper aus einem schmelzfähigen Kunststoff schichtweise aufgebaut wird. Zu diesem Zweck erfolgt zunächst eine Verflüssigung eines meist drahtförmig von einem Materialvorrat zugeführten Kunststoff- oder Wachsmaterials (Filament) durch Erwärmung sowie nachfolgend die Aufbringung des verflüssigten Materials durch Extrudieren mittels einer Düse und abschließend eine Erhärtung des Materials durch Abkühlung an der gewünschten Position der Arbeitsebene. Die Materialausbringung kann strangförmig oder punktförmig erfolgen. Wenn Überhänge, Hinterschnitte und Durchbrüche in horizontaler Richtung nicht freitragend erzeugt werden können, muss eine sogenannte Stützstruktur aus einem Stützmaterial hergestellt werden. Das Stützmaterial kann ebenfalls über eine Extruderdüse bzw. einen Druckkopf ausgebracht werden, wobei der Druckkopf von einem Materialvorrat gespeist ist, der von dem für den Formkörperaufbau vorgesehenen Material verschieden ist- Für das FDM-Verfahren können derzeit Formwachse und Thermoplaste, wie z.B. Polyethylen, Polypropylen,

Polylactid, ABS, PETG und thermoplastische Elastomere eingesetzt werden.

Herkömmliche 3D~Drucker, insbesondere solche zur Ausführung eines FDM-Verfahrens, weisen wenigstens einen Fertigungskopf bzw. Druckkopf und eine Bauplattform auf, die sowohl entsprechend einer Arbeitsrichtung in der Ebene einer Schicht als auch in der Vorschubrichtung bezogen auf die Dicke der Schichten gegeneinander verschieblich angeordnet sind.

Vorzugsweise ist die Bauplattform starr oder lediglich höhenverstellbar ausgebildet und der meist in einem Träger auswechselbar aufgenommene Druckkopf ist mit Hilfe eines Positioniersystems zweidimensional in einer Ebene oder dreidimensional im Raum positionierbar bzw. verfahrbar.

Beim Positioniersystem unterscheidet man zwischen einem kartesischen System und einem sog. "Delta”-System. Das kartesische Prinzip ist einer Portalfräsmaschine nachempfunden, wobei die Positionierung des Trägers mit Hilfe von drei angetriebenen Linearachsen erfolgt, die den dreidimensionalen Bauraum mit den Koordinatenachsen X, Y und Z aufspannen. Der Delta-Drucker nutzt das Prinzip der Parallelogramm-Kinematik und kann so programmiert werden, dass der Träger leicht schwenkbar ist. Eine dreidimensionale Positionierung wird hier durch das Verfahren von drei angetriebenen, ein Dreieck aufspannenden Achsen in vertikaler Richtung realisiert, welche den Träger halten.

Weiters unterscheidet man bei den nach dem FDM-Verfahren arbeitenden 3D-Druckern zwischen zwei grundlegenden Prinzipien der Materialförderung. Beim sogenannten Direct-Drive wird eine Vorschubeinrichtung, wie z.B. ein Fördermotor, für das Filament direkt oberhalb des Druckkopfs (Hot-End) positioniert. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung des Materialdurchflusses durch die Extruder-Düse des Druckkopfes. Beim System des Bowdenzugs hingegen ist die Vorschubeinrichtung nicht oberhalb des Druckkopfes, sondern an einer festen Position, z.B. am äußeren Rahmen des Druckers angebracht. Ein Bowdenzug, in dessen Innerem das Filament geführt ist, verbindet die Vorschubeinrichtung mit dem Druckkopf.

Formkörper müssen oft aus mehr als einem Material aufgebaut werden. Ein Materialwechsel während des Bauprozesses ist z.B. erforderlich, um einen Fomkörper mehrfarbig oder aus Bereichen mit voneinander verschiedenen

Materialeigenschaften auszubilden. Für einen Materialwechsel muss der Fertigungsprozess bei herkömmlichen 3D-Druckern unterbrochen werden, um den Materialvorrat auszutauschen. Weil der Druckkopf und ggf. auch die Materialzuführeinrichtung meist an das jeweilige Material angepasst werden muss, ist es im Zuge eines Materialwechsels erforderlich auch Anpassungen des Druckkopfs vorzunehmen oder den Druckkopf zu wechseln. Ggf. muss auch die Zuführeinrichtung umgebaut oder gewechselt werden. Solche Umrüstungen sind nicht nur mit einem hohen zeitlichen Aufwand verbunden, sondern erfordern auch die Anwesenheit einer technisch qualifizierten Bedienungsperson. Ein vollautomatischer Betrieb ist nicht möglich.

Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, einen 3D-Drucker dahingehend weiterzubilden, dass der Wechsel des Druckkopfes und/oder des Materials vereinfacht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art in Wesentlichen vor, dass die Aufnahme für den Materialvorrat, die Zuführeinrichtung und der Druckkopf in einer als auswechselbarer Einsatz ausgebildeten Einheit angeordnet sind. Der auswechselbare Einsatz erlaubt es, dem 3D-Drucker alle drei genannten Komponenten, nämlich die Aufnahme für den Materialvorrat, ggf. samt darin aufgenommenem Materialvorrat, die Zuführeinrichtung und den Druckkopf, in einer gemeinsamen Einheit zur Verfügung zu stellen, sodass bei einem Materialwechsel gleichzeitig auch eine zugehörige Zuführeinrichtung und ein zugehöriger Druckkopf bereitgestellt wird. Bevorzugt liegen die genannten Komponenten in dem auswechselbaren Einsatz im einsatzbereiten Zustand vor, d.h. das Material des Materialvorrats, insbesondere ein Filament, ist über die Zuführeinrichtung dem Druckkopf zugeführt, sodass der Druckkopf nach der Entnahme aus dem auswechselbaren Einsatz und der Positionierung desselben in dem Träger sofort einsatzbereit ist. Gegenüber herkömmlichen Ausbildungen, bei denen die einzelnen Komponenten, wie z.B. der Druckkopf oder der Materialvorrat, gesondert auswechselbar sind, bietet die Erfindung den Vorteil, dass nach dem Einsetzen des auswechselbaren Einsatzes sofort ein einsatzbereiter Druckkopf zur Verfügung steht, wohingegen einem ausgewechselten Druckkopf andernfalls erst das Material zugeführt werden müsste, was die Handhabung erheblich erschwert.

Das Vorsehen aller mit dem Material in Berührung kommender Komponenten in einem gemeinsamen auswechselbaren Einsatz hat weiters den Vorteil, dass der jeweilige Druckkopf und die jeweilige Zuführeinrichtung nur mit dem zugeordneten Material verwendet werden, sodass sich ein Reinigen des Druckkopfes oder der Zuführeinrichtung im Zuge eines Wechsels erübrigt. Bei herkömmlichen Systemen hingegen ist es erforderlich einen Druckkopf zu reinigen, bevor er mit einem neuen Material verwendet werden kann.

Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, dass die Vorrichtung wenigstens einen Aufnahme- bzw. Einschubplatz, vorzugsweise wenigstens zwei Aufnahme- b2w. Einschubplätze, zur Aufnahme jeweils eines auswechselbaren Einsatzes umfasst. Das Vorsehen wenigstens eines Aufnahme- bzw. Einschubplat2es ermöglicht ein einfaches und schnelles Einsetzen des auswechselbaren Einsatzes in den 3D-Drucker. Analog ist auch eine Entnahme des auswechselbaren Einsatzes in einfacher Weise möglich. Der Aufnahme- bzw. Einschubplatz ist bevorzugt so angeordnet, dass der auswechselbare Einsatz von der Außenseite der Vorrichtung eingeschoben bzw. eingesetzt werden kann, d.h., dass ein Öffnen des Bauraums hierzu nicht erforderlich ist. Wenn, wie dies einer bevorzugten Ausbildung entspricht, wenigstens zwei Aufnahme- bzw. Einschubplätze vorgesehen sind, können zwei oder mehr auswechselbare Einsätze gleichzeitig zum Einsatz kommen, sodass die Vorrichtung eine entsprechende Anzahl an Druckköpfen mit jeweils zugeordneter Zuführvorrichtung und Materialvorrat nutzen kann.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die auswechselbare Einheit zu dem die Bauplattform und den positionierbaren Träger enthaltenden Bauraum hin offen oder öffenbar ist. Dies führt dazu, dass der mit der auswechselbaren Einheit zur Verfügung gestellte Druckkopf vom Bauraum aus unmittelbar greifbar ist, nachdem die auswechselbare Einheit in einen Aufnahme- bzw. Einschubplatz eingesetzt worden ist.

Zum Zwecke der einfachen Handhabbarkeit ist bevorzugt weiters vorgesehen, dass der auswechselbare Einsatz ein Gehäuse aufweist, welches die Aufnahme für den Materialvorrat, die Zuführeinrichtung und den Druckkopf umschließt. Der auswechselbare Einsatz nimmt damit die Gestalt einer Kartusche an, in welcher der Druckkopf, die Zuführeinrichtung und die Aufnahme für den Materialvorrat bzw. der Materialvorrat geschützt aufgenommen sind.

Um den zunächst in dem auswechselbaren Einsatz angeordneten Druckkopf für den Fertigungsprozess zu nutzen, ist es erforderlich, den Druckkopf am positionierbaren Träger festzulegen bzw. in eine Aufnahme des Trägers einzusetzen.

Die auswechselbare Einheit umfasst zu diesem Zwecke vorzugsweise eine Haltevorrichtung zum lösbaren Halten des Druckkopfes.

Um die Übergabe des Druckkopfes von dem auswechselbaren Einsatz an den Träger zu erleichtern, ist der Druckkopf, ggf. samt Haltevorrichtung, bevorzugt von einer im Gehäuse angeordneten Aufbewahrungsposition in eine aus dem Gehäuse in den Bauraum vorragende Übergabeposition verlagerbar. Insbesondere kann die auswechselbare Einheit hierbei einen ausfahr- und/oder ausschwenkbaren Arm umfassen, an dem der Druckkopf, ggf. samt Haltevorrichtung, angebracht ist, wobei der Druckkopf am Arm von der im Gehäuse angeordneten Aufbewahrungsposition in die aus dem Gehäuse in den Bauraum vorragende Übergabeposition verlagerbar ist. Der ausfahr-und/oder ausschwenkbare Arm verfügt bevorzugt über einen Fahr- bzw. Schwenkantrieb, der ebenfalls im auswechselbaren Einsatz angeordnet ist.

Die Übergabe des Druckkopfes an den positionierbaren Träger kann gemäß einer bevorzugten Ausbildung automatisch gesteuert erfolgen. Insbesondere kann eine Übergabevorrichtung, insbesondere ein Manipulator, zur Übergabe des Druckkopfes von der auswechselbaren Einheit in eine in dem Träger aufgenommene Position und zurück vorgesehen sein. Der Manipulator kann dabei im Bauraum der Vorrichtung angeordnet und befestigt sein und somit einen fixen Bestandteil des 3D-Druckers bilden. Alternativ kann der Manipulator Bestandteil des auswechselbaren Einsatzes sein und als Teil desselben in den 3D-Drucker eingesetzt und entnommen werden.

Im Rahmen einer bevorzugten Ausbildung kann das Positionierungssystem samt dem durch dieses positionierbaren Träger als Manipulator verwendet werden. Das Positionierungssystem verfährt den Träger hierbei in eine Position, in der der Druckkopf von seiner Übergabeposition übernommen werden kann. Beispielweise nähert sich der Träger zu diesem Zweck so, z.B. von unten, an den sich in der Übergabeposition befindlichen Druckkopf, dass dieser dabei in die vorgesehene Druckkopfaufnahme des Trägers eingeführt wird.

Die Einführung und Aufnahme des Druckkopfes im Träger erfolgt beispielsweise über ein Selbstzentrierungssystem, welches vorzugsweise auf Basis des Prinzips der Selbstausrichtung eines Eisenteils im magnetischen Feld eines Elektromagneten arbeitet. Weiters kann die Druckkopfaufnahme des Trägers bevorzugt konusförmig ausgebildet sein, damit selbst bei ungenauer Vorpositionierung ein korrektes Erfassen des Druckkopfes durch den Träger ermöglicht wird.

Um die elektrische Energieversorgung der im auswechselbaren Einsatz angeordneten Komponenten zu gewährleisten, kann vorgesehen sein, dass der auswechselbare Einsatz einen elektrischen Energiespeicher, wie z.B. einen aufladbaren Akkumulator, aufweist. Alternativ kann der auswechselbare Einsatz elektrische Kontakte zur Verbindung des Einsatzes mit Gegenkontakten des 3D-Druckers aufweisen, wobei die Gegenkontakte mit einer elektrischen Energiequelle, wie z.B. mit einer Netzspannung, verbindbar sind.

Im Hinblick auf die Ausgestaltung der Zuführeinrichtung sieht eine bevorzugte Ausbildung vor, dass die

Zuführeinrichtung eine Vorschubeinheit für den Vorschub eines strangförmig vorrätig gehaltenen Materials, insbesondere eines Filaments, umfasst. Insbesondere umfasst die Zuführeinrichtung einen Bowdenzug, der den Materialvorrat, insbesondere die Vorschubeinheit mit dem Druckkopf verbindet. Die Vorschubeinheit kann bei einer solchen Ausbildung in dem auswechselbaren Einsatz verbleiben, wobei der Bowdenzug eine die freie Positionierbarkeit des Druckkopfs zulassende, materialzuführende Verbindung zwischen der Vorschubeinrichtung und dem Druckkopf herstellt.

Die Zuführvorrichtung ist bevorzugt so angeordnet, dass der Druckkopf im mit der Zuführvorrichtung verbundenen Zustand von der in der auswechselbaren Einheit angeordneten Aufbewahrungsposition in die aus dem Gehäuse in den Bauraum vorragende Übergabeposition und/oder in die in dem Träger aufgenommene Position verlagerbar ist.

Das Positionierungssystem für den Träger und den wenigstens einen daran angebrachten oder darin aufgenommenen Druckkopf kann grundsätzlich beliebig ausgeführt sein. Eine bevorzugte Ausführung sieht in diesem Zusammenhang vor, dass das Positionierungssystem nach Art eines Delta-Druckers aufgebaut ist und daher drei im Grundriss ein Dreieck aufspannende, vertikale Führungen umfasst, entlang der jeweils ein Schlitten in vertikaler Richtung verfahrbar angeordnet ist. Die Schlitten sind jeweils gelenkig, z.B. unter Verwendung von Stangen, mit dem Träger verbunden, der im Inneren des von den Führungen definierten geraden Prismas mit dreieckiger Grundfläche getragen ist. Die einzelnen Schlitten sind hierbei unabhängig in vertikaler Richtung verfahrbar, wobei jedem Schlitten bevorzugt ein

Schrittmotor zugeordnet ist und die Schrittmotoren unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Eine Steuerelektronik sorgt hierbei dafür, dass die Ansteuerung der Schrittmotoren so erfolgt, dass die jeweils für den Formkörperaufbau erforderlichen Positionen im dreidimensionalen Raum nacheinander angefahren werden.

Die Aufnahme für den Materialvorrat kann im Falle eines als Filament vorliegenden Materials von einem Zylinder, einer Haspel oder einer Trommel gebildet sein, um welche das Material spulenförmig aufgewickelt ist. Dies ermöglicht einerseits eine platzsparende Aufbewahrung einer großen Materiallänge und andererseits einen unterbrechungsfreien Nachschub des Materials.

Die Erfindung hat gemäß einem weiteren Aspekt eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers zum Gegenstand, umfassend eine Bauplattform, einen positionierbaren Träger für wenigstens einen Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf, wie z.B. einen Druckkopf und ein Positioniersystem für den Träger,, wobei die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigsten ein Aufnahme- oder Einschubplatz zur Aufnahme einer auswechselbaren Einheit vorgesehen ist.

Der auswechselbare Einsatz kann dabei von der Seite oder von oben oder von unten in den Aufnahme- bzw. Einschubplatz eingebracht werden.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Aufnahme- bzw. Einschubplatz zu dem die Bauplattform und den positionierbaren Träger enthaltenden Bauraum hin offen oder öffenbar ist.

Weiters kann eine Übergabevorrichtung, insbesondere ein Manipulator, zur Übergabe des Materialausbringungs-und/oder -bearbeitungskopfes von der in dem wenigstens einen Aufnahme- bzw. Einschubplatz aufgenommenen auswechselbaren Einheit in eine in dem Träger aufgenommene Position und zurück vorgesehen sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen auswechselbaren Einsatz zur Aufnahme in einem Aufnahme-bzw. Einschubplatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der auswechselbare Einsatz einen Materialausbringungs-und/oder -bearbeitungskopf, insbesondere einen Druckkopf zum schichtweisen Aufbringen von Material auf eine Bauplattform oder einen auf der Bauplattform zumindest teilweise aufgebauten Formkörper, sowie ggf. eine Aufnahme für einen Materialvorrat und ggf. eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Material aus dem Materialvorrat zu dem wenigstens einen Materialausbringungs-und/oder -bearbeitungskopf umfasst. Als

Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf wird dabei jeglicher Fertigungskopf verstanden, mit dem Fertigungsschritte in Bezug auf den herzustellenden Formkörper vorgenommen werden können. Es kann sich dabei um einen Druckkopf handeln, mit dem Material zum Aufbau des Formkörpers oder Stützmaterial zur Abstützung der aufzubauenden Struktur zugeführt wird, oder aber auch um einen Bearbeitungskopf, der z.B. für die materialabtragende Bearbeitung des Formkörpers geeignet ist. Der Bearbeitungskopf kann z.B. als Fräskopf ausgeführt sein.

Der Fertigungskopf kann auch als Pick-and-Place Einheit ausgeführt sein und über eine Greifeinrichtung verfügen, mit welcher stückig vorliegendes Material aus einem

Materialvorrat ergriffen und auf den Formkörper aufgebracht werden kann. Weiters besteht die Möglichkeit, über einen entsprechend adaptierten Fertigungskopf ein von Kunststoff verschiedenes Material aufzubringen, wie z.B. ein Metallfilament oder dgl., um den Formkörper zu verstärken.

Der auswechselbare Einsatz kann somit verwendet werden, um einen 3D-Drucker mit einer Reihe von Zusatzfunktionen auszustatten,

Wie schon im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen 3D-Drucker ausgeführt, kann der auswechselbare Einsatz die folgenden vorteilhaften Ausgestaltungen aufweisen.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass der auswechselbare Einsatz im in den Aufnahme- bzw. Einschubplat2 aufgenommenen Zustand zu dem die Bauplattform und den positionierbaren Träger enthaltenden Bauraum hin offen oder öffenbar ist.

Bevorzugt weist der auswechselbare Einsatz ein Gehäuse auf, welches den Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf sowie ggf. die Aufnahme für einen Materialvorrat und ggf. die Zuführeinrichtung umschließt.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung sieht vor, dass der auswechselbare Einsatz eine Haltevorrichtung zum lösbaren Halten des Materialausbringungs-und/oder -bearbeitungskopfes umfasst.

Mit Vorteil ist der Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf, ggf. samt Haltevorrichtung, von einer im Gehäuse angeordneten Aufbewahrungsposition in eine aus dem Gehäuse vorragende Übergabeposition verlagerbar. Insbesondere kann der auswechselbare Einsatz einen ausfahr-und/oder ausschwenkbaren Arm umfassen, an dem der Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf, ggf. samt Haltevorrichtung, angebracht ist, wobei der Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf am Arm von der im Gehäuse angeordneten Aufbewahrungsposition in die aus dem Gehäuse vorragende Übergabeposition verlagerbar ist.

Bevorzugt kann die Zuführeinrichtung eine Vorschubeinheit für den Vorschub eines strangförmig vorrätig gehaltenen Materials, insbesondere eines Filaments, umfassen.

Weiters kann die Zuführeinrichtung bevorzugt einen Bowdenzug umfassen, der den Materialvorrat, insbesondere die Vorschubeinheit mit dem Druckkopf verbindet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Druckkopf im mit der Zuführvorrichtung verbundenen Zustand von der in der auswechselbaren Einheit angeordneten Aufbewahrungsposition in die aus dem Gehäuse vorragende Übergabeposition verlagerbar.

Die Erfindung betrifft gemäß einem weiteren Aspekt ein Set umfassend eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers umfassend eine Bauplattform, einen positionierbaren Träger für wenigstens einen Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf, wie z.B. einen Druckkopf und ein Positioniersystem für den Träger, wobei wenigstens ein Aufnahme- bzw.

Einschubplatz zur Aufnahme einer auswechselbaren Einheit vorgesehen ist/ und wenigstens einen ersten erfindungsgemäßen auswechselbaren Einsatz mit einem Druckkopf zum schichtweisen Aufbringen von Material auf eine Bauplattform oder einen auf der Bauplattform zumindest teilweise aufgebauten Formkörper, einer Aufnahme für einen Materialvorrat und einer Zuführeinrichtung zum Zuführen von Material aus dem Materialvorrat zu dem Druckkopf.

Das Set umfasst bevorzugt wenigstens einen zweiten auswechselbaren Einsatz mit einem Materialbearbeitungswerkzeug zum abtragenden Bearbeiten eines Formkörpers, wie z.B. einem Fräskopf oder dgl.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine Außenansicht eines erfindungsgemäßen 3D-Druckers, Fig. 2 einen Grundriss des 3D-Druckers gemäß Fig. 1, Fig. 3 eine erste Innenansicht des 3D-Druckers, Fig. 4 eine zweite Innenansicht des 3D-Drucker, Fig. 5 eine Ansicht gemäß Fig. 4 mit in den Druckraum eingebachtem Druckkopf, Fig. 6 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen auswechselbaren Einsatzes mit dem Druckkopf in einer Aufbewahrungsposition, Fig. 1 eine Ansicht des auswechselbaren Einsatzes mit dem Druckkopf in einer Übergabeposition, Fig. 8 eine Ansicht des auswechselbaren Einsatz mit aus der Halteeinrichtung entnommenem Druckkopf, Fig. 9 eine Ansicht des auswechselbaren Einsatzes mit dem Druckkopf in einer

Gebrauchsposition und Fig. 10 eine Ansicht des Trägers zur Aufnahme von Fertigungsköpfen.

In Fig. 1 ist ein 3D-Drucker 1 dargestellt. Der 3D-Drucker weist ein Hauptgehäuse 2 auf, das an wenigstens einer Seitenfläche mit einem Sichtfenster 3 versehen ist, welches einen Einblick in den Bauraum 4 des 3D-Druckers 1 freigibt. Im Bauraum 4 des 3D-Druckers 1 ist ein Träger 5 mithilfe eines Positionierungssystems dreidimensional positionierbar gehalten. Der Träger 5 trägt Druckköpfe 6, welche zum Ausbringen eines Fertigungsmaterials ausgebildet sind.

Der 3D-Drucker 1 umfasst weiters ein seitlich am Hauptgehäuse 2 angeordnetes Zusatzgehäuse 7, welches wenigstens einen, bevorzugt drei Aufnahme- bzw, Einschubplätze für auswechselbare Einsätze aufweist.

Im Grundriss gemäß Fig. 2 ist ersichtlich, dass das Hauptgehäuse 2 einen dreieckigen Grundriss aufweist, wobei das Zusatzgehäuse 7 seitlich des Hauptgehäuses 2 angeordnet ist und drei Aufnahme- bzw. Einschubplätze 15 für auswechselbare Einsätze 16 aufweist. Der jeweilige auswechselbar Einsatz 16 kann in Richtung des Pfeils 42 in den jeweiligen Aufnahme- bzw. Einschubplatz 15 eingesetzt bzw. eingeschoben werden.

In der Innenansicht gemäß Fig. 3 ist nun das Positionierungssystem für den Träger 5 näher dargestellt. Das Positionierungssystem umfasst drei vertikale Führungen, wie z.B. Führungsstangen 8, von denen in Fig. 3 zwei Führungsstangen 8 ersichtlich sind. An den FührungsStangen 8 ist jeweils ein Schlitten 9 in vertikaler Richtung verfahrbar angeordnet, wobei der Fahrantrieb einen schematisch angedeuteten Zahnriemen 10 umfasst, der jeweils von einem Schrittmotor 11 angetrieben wird. Der Träger 5 ist mithilfe von beidseitig gelenkig angebrachten Haltestangen 12 an den Schlitten 9 befestigt. Die Schlitten 9 sind unabhängig voneinander in Richtung des Pfeils 13 verstellbar, wodurch eine dreidimensionale Positionierung des Trägers 5 im Bauraum 4 ermöglicht wird. Weiters wird auch ein Kippen des Trägers 5 ermöglicht. Im Inneren des Bauraums 4 befindet sich eine Bauplattform 14, auf welcher der aus2ubildende Formkörper durch Materialausbringung aus den Druckköpfen 6 schichtweise aufgebaut wird.

In Fig. 3 ist weiters ersichtlich, dass das seitlich angebrachte Zusatzgehäuse 7 zwei Einschubplätze 15 aufweist, welche jeweils einen auswechselbaren Einsatz 16 aufnehmen. Die auswechselbaren Einsätze 16 sind zum Bauraum 4 hin offen, sodass der Träger 5 von den auswechselbaren Einsätzen 16 mit Druckköpfen beschickt werden kann, wie weiter unten noch detaillierter erläutert werden wird. Die auswechselbaren Einsätze 16 weisen jeweils ein Gehäuse auf, wobei bei dem in Fig. 3 weiter hinten angeordneten auswechselbaren Einsatz 16 eine hintere und eine vordere Gehäusewand 18 ersichtlich sind. Bei dem in Fig. 3 weiter vorne angeordneten auswechselbaren Einsatz 16 ist lediglich die hintere Gehäusewand 19 ersichtlich. Die vordere Gehäusewand ist der Übersichtlichkeit halber nicht gezeichnet, damit die in dem auswechselbaren Einsatz 16 aufgenommenen Komponenten besser ersichtlich sind. Zwischen den Gehäusen der auswechselbaren Einsätze 16 kann ggf. eine Trennwand 17 vorgesehen sein, welche die beiden Einschubplätze 15 voneinander trennt.

Die auswechselbaren Einsätze 16 enthalten eine Materialaufnahme in Form einer Materialrolle 20, welche ein spulenartig aufgewickeltes, strangförmiges Material (Filament) aufweist. Der Materialrolle 20 ist eine Vorschubeinrichtung 21 zugeordnet, welche ausgebildet ist, um das Filament von der Rolle 20 abzuziehen und dem Druckkopf 6 zuzuführen. Der Druckkopf 6 ist in einer Halteeinrichtung 22 gehalten, welche auf einem aus mehreren Segmenten bestehenden Arm 23 befestigt ist.

Fig. 4 zeigt den selben 3D-Drucker wie Fig. 3 in einer Innenansicht, wobei eine von Fig. 3 verschiedene Perspektive gezeigt ist. Während der in der Halteeinrichtung 22 gehaltene Druckkopf 6 in Fig. 4 in einer Aufbewahrungsposition, d.h. im auswechselbaren Einsatz 16 angeordnet ist, wurde dieser bei der Darstellung gemäß Fig. 5 in die in den Bauraum 4 vorragende Übergabeposition verlagert. Die Verlagerung erfolgt hierbei durch das Ausschwenken des Arms 23, an dem die Haltevorrichtung 22 befestigt ist. Die in Fig. 5 dargestellte Übergabeposition des Druckkopfs 6 ermöglicht eine Übergabe des Druckkopfs 6 von der Halteeinrichtung 22 in eine Druckkopfaufnahme des Trägers 5. Der Träger 5 kann zu diesem Zweck so an den in der Halteeinrichtung 22 gehaltenen Druckkopf 6 herangefahren werden, dass der Druckkopf 6 in die Druckkopfaufnahme des Trägers 5 eingeführt wird. Die Halteeinrichtung 22 ist so ausgebildet, dass sie auch in der Lage ist, einen in den Träger 5 aufgenommenen Druckkopf nach Beendigung der vorgesehenen Fertigungsschritte zu entnehmen und von der Übergabeposition wieder zurück in die in Fig. 4 dargestellte Aufbewahrungsposition zu bewegen. Die einzelnen Komponenten des auswechselbaren Einsatzes 15 sowie die Mechanik zum Ausschwenken der Halteeinrichtung 22 samt Druckkopf 6 wird nun anhand der Figuren 6 bis 9 näher erläutert.

In Fig. 6 ist der auswechselbare Einsatz wiederum mit 16 bezeichnet und umfasst ein geschlossenes Gehäuse 24. Im geschlossenen Gehäuse 24 ist die Rolle 20 entsprechend dem Doppelpfeil 25 drehbar gelagert. Der Rolle 20 ist eine Vorschubeinrichtung 21 zugeordnet, welcher das auf der Rolle 20 aufgewickelte Filament 26 zugeführt ist. Von der Vorschubeinrichtung 21 führt ein Bowdenzug 27 zum Druckkopf 6, wobei das Filament im Inneren des Bowdenzugs zum Druckkopf 6 geführt ist.

Das Gehäuse 24 weist im Bereich der in Fig. 6 dargestellten Aufbewahrungsposition des Druckkopfes 6 eine Öffnung 28 auf, durch welche der Druckkopf 6 aus dem Gehäuse heraus in den Bauraum 4 des 3D-Druckers 1 verlagert werden kann. Zu diesem Zweck weist der Arm 23 einen ersten Schwenkarm 29 auf, der um. eine gehäusefeste Achse 30 schwenkbar gelagert ist. Ein weiterer Schwenkarm ist mit 31 bezeichnet, der am Schwenkarm 29 schwenkbar befestigt ist und über ein Gelenk 32 mit einem Gelenkarm 33 verbunden ist, der um die gehäusefeste Achse 30 schwenkbar ist. Am freien Ende des Schwenkarms 31 ist die Haltevorrichtung 22 für den Druckkopf 6 angeordnet. Der Schwenkantrieb für den Arm 23 wird von einem ersten Zahnrad 34 gebildet, welches um eine gehäusefeste Achse 35 drehbar gelagert ist und welches mit einem zweiten Zahnrad 35 kämmt, das um eine gehäusefeste Achse 36 drehbar gelagert ist. Das zweite Zahnrad 35 kämmt mit einem dritten Zahnrad 37, welches um die Achse 38 der Rolle 20 drehbar gelagert ist. Eines der Zahnräder 34, 35 und 37 ist mit einem Drehantrieb, wie z.B. einem Schrittmotor antriebsmäßig verbunden. Eine Drehung der Zahnräder 34, 35 und 37 bewirkt eine Verlagerung des Gelenkarms 39, der über ein Drehgelenk 40 drehbar am ersten Zahnrad 34 befestigt ist. Dies wiederum bewirkt eine Verschwenkung der Schwenkarme 29 und 31 von der in Fig. 6 dargestellten Position in die in Fig. 7 dargestellte Position. Gleichzeitig wird dabei die mit dem dritten Zahnrad 37 verbundene Vorschubeinrichtung 21 um einen entsprechenden Drehwinkel weiter bewegt, damit der Bowdenzug 27 die Verlagerung des Druckkopfes 6 nicht behindert.

In Fig. 8 ist ersichtlich, dass der Druckkopf 6 von der in Fig. 7 dargestellten Übergabeposition aus der Halteeinrichtung 22 entnommen und dem hier nicht dargestellten Träger 5 übergeben wurde.

Eine weitere Betätigung des Drehantriebs im selben Drehsinn wie zuvor bewirkt nun ein Zurückschwenken des Arms 23 in die in Fig. 9 dargestellte Aufbewahrungsposition, wobei die Vorschubeinrichtung 21 im selben Drehsinn weiterbewegt wurde, um eine ausreichende Länge des Bowdenzugs 27 freizugeben, damit der Druckkopf 6 im Bauraum 4 frei positioniert werden kann.

Das Zurückholen des Druckkopfes 6 in den auswechselbaren Einsatz 16 erfolgt in umgekehrter Reihenfolge.

In Fig. 10 ist der Träger 5 in einer Draufsicht dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass der Träger 5 eine Mehrzahl von Aufnahmeplätzen für Druckköpfe 6 aufweist. Die eine allseitige Verschwenkung der Haltestangen 12 relativ zum Träger 5 erlaubenden Gelenke sind mit 41 bezeichnet.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers umfassend eine Bauplattform, wenigstens einen Druckkopf zum schichtweisen Aufbringen von Material auf die Bauplattform oder den auf der Bauplattform zumindest teilweise aufgebauten Formkörper, einen positionierbaren Träger für den wenigstens einen Druckkopf, ein Positioniersystem für den Träger, eine Aufnahme für einen Materialvorrat und eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Material aus dem Materialvorrat zu dem wenigstens einen Druckkopf, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme für den Materialvorrat, die Zuführeinrichtung und der Druckkopf in einer als auswechselbarer Einsatz ausgebildeten Einheit angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens einen Aufnahme- bzw. Einschubplatz, vorzugsweise wenigstens zwei Aufnahme- bzw, Einschubplätze, zur Aufnahme jeweils eines auswechselbaren Einsatzes umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auswechselbare Einheit zu dem die Bauplattform und den positionierbaren Träger enthaltenden Bauraum hin offen oder öffenbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der auswechselbare Einsatz ein Gehäuse aufweist, welches die Aufnahme für den Materialvorrat, die Zuführeinrichtung und den Druckkopf umschließt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auswechselbare Einheit eine Haltevorrichtung zum lösbaren Halten des Druckkopfes umfasst.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf, ggf. samt Haltevorrichtung, von einer im Gehäuse angeordneten Aufbewahrungsposition in eine aus dem Gehäuse in den Bauraum vorragende Übergabeposition verlagerbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die auswechselbare Einheit einen ausfahr- und/oder ausschwenkbaren Arm umfasst, an dem der Druckkopf, ggf. samt Haltevorrichtung, angebracht ist, wobei der Druckkopf am Arm von der im Gehäuse angeordneten Aufbewahrungsposition in die aus dem Gehäuse in den Bauraum vorragende Übergabeposition verlagerbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übergabevorrichtung, insbesondere ein Manipulator, zur Übergabe des Druckkopfes von der auswechselbaren Einheit in eine in dem Träger aufgenommene Position und zurück vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die 2uführeinrichtung eine Vorschubeinheit für den Vorschub eines strangförmig vorrätig gehaltenen Materials, insbesondere eines Filaments, umfasst.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung einen Bowdenzug umfasst, der den Materialvorrat, insbesondere die Vorschubeinheit mit dem Druckkopf verbindet.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf im mit der Zuführvorrichtung verbundenen Zustand von der in der auswechselbaren Einheit angeordneten Aufbewahrungsposition in die aus dem Gehäuse in den Bauraum vorragende Übergabeposition und/oder in die in dem Träger aufgenommene Position verlagerbar.
12. Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers umfassend eine Bauplattform, einen positionierbaren Träger für wenigstens einen Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf, wie z.B. einen Druckkopf und ein Positioniersystem für den Träger, dadurch gekennzeichnet, dass wenigsten ein Aufnahme- bzw. Einschubplatz zur Aufnahme einer auswechselbaren Einheit vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahme- bzw. Einschubplatz zu dem die. Bauplattform und den positionierbaren Träger enthaltenden Bauraum hin offen oder öffenbar ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Übergabevorrichtung, insbesondere ein Manipulator, zur Übergabe des Materialausbringungs-und/oder -bearbeitungskopfes von der in dem wenigstens einen Aufnahme- bzw. Einschubplatz aufgenommenen auswechselbaren Einheit in eine in dem Träger aufgenommene Position und zurück vorgesehen ist.
15. Auswechselbarer Einsatz zur Aufnahme in einem Aufnahme- bzw. Einschubplatz einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, umfassend einen Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf, insbesondere einen Druckkopf zum schichtweisen Aufbringen von Material auf eine Bauplattform oder einen auf der Bauplattform zumindest teilweise aufgebauten Formkörper, sowie ggf. eine Aufnahme für einen MaterialVorrat und ggf. eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Material aus dem Materialvorrat zu dem wenigstens einen Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf.
16. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der auswechselbare Einsatz im in den Aufnahme- bzw. Einschubplatz aufgenommenen Zustand zu dem die Bauplattform und den positionierbaren Träger enthaltenden Bauraum hin offen oder öffenbar ist.
17. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der auswechselbare Einsatz ein Gehäuse aufweist, welches den Materialausbringungs-und/oder -bearbeitungskopf sowie ggf. die Aufnahme für einen Materialvorrat und ggf. die Zuführeinrichtung umschließt.
18. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der auswechselbare Einsatz eine Haltevorrichtung zum lösbaren Halten des Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopfes umfasst.
19. Auswechselbarer Einsatz nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf, ggf. samt Haltevorrichtung, von einer im Gehäuse angeordneten Aufbewahrungsposition in eine aus dem Gehäuse vorragende Übergabeposition verlagerbar ist.
20. Auswechselbarer Einsatz nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der auswechselbare Einsatz einen ausfahr- und/oder ausschwenkbaren Arm umfasst, an dem der Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf, ggf. samt Haltevorrichtung, angebracht ist, wobei der Materialausbringungs- und/oder -bearbeitungskopf am Arm von der im Gehäuse angeordneten Aufbewahrungsposition in die aus dem Gehäuse vorragende Übergabeposition verlagerbar ist.
21. Auswechselbarer Einsatz nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung eine Vorschubeinheit für den Vorschub eines strangförmig vorrätig gehaltenen Materials, insbesondere eines Filaments, umfasst.
22. Auswechselbarer Einsatz nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung einen Bowdenzug umfasst, der den Materialvorrat, insbesondere die Vorschubeinheit mit dem Druckkopf verbindet.
23. Auswechselbarer Einsatz nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkopf im mit der Zuführvorrichtung verbundenen Zustand von der in der auswechselbaren Einheit angeordneten Aufbewahrungsposition in die aus dem Gehäuse vorragende Übergabeposition verlagerbar.
24. Set umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, und wenigstens einen ersten auswechselbaren Einsatz nach einem der Ansprüche 15 bis 23 mit einem Druckkopf zum schichtweisen Aufbringen von Material auf eine Bauplattform oder einen auf der Bauplattform zumindest teilweise aufgebauten Formkörper, einer Aufnahme für einen Materialvorrat und einer Zuführeinrichtung zum Zuführen von Material aus dem Materialvorrat zu dem Druckkopf.
25. Set nach Anspruch 24, umfassend wenigstens einen zweiten auswechselbaren Einsatz mit einem Materialbearbeitungswerkzeug zum abtragenden Bearbeiten eines Formkörpers, wie z.B. einem Fräskopf oder dgl.