CN109729712B - 用于制造用于建筑业的至少一个三维层状体的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于制造至少一个用于建筑业的三维层状体的设备，所述三维层状体由多个在打印平台上叠置设置的颗粒材料层制成，所述颗粒材料层在局部预定区域中固化并且彼此连接成所述至少一个三维层状体，该设备包括：‑至少一个打印框架；‑至少两个用于在打印平台上层状地涂覆颗粒材料的涂层装置，所述至少两个涂层装置可运动地支承在所述至少一个打印框架(8)上；和‑至少一个用于将至少一种粘合剂输出到所述局部预定区域上的打印头，所述至少一个打印头可运动地支承在所述至少一个打印框架上，其中，所述至少两个涂层装置和所述至少一个打印头能够分别相对于彼此移动。

Description

用于制造用于建筑业的至少一个三维层状体的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造至少一个用于建筑业的三维层状体的设备，所述三维层状体由多个在打印平台上叠置设置的颗粒材料层制成。
此外，还提出一种用于借助设备制造至少一个用于建筑业的三维层状体的方法。
背景技术
开头所提类型的设备已经属于现有技术并且例如在US 7,104,773B2中示出。这种设备包括至少一个涂层装置，该涂层装置可将材料、如颗粒材料涂覆到打印平台上。所述涂覆在此可以材料层的形式进行。随后通过打印头在局部预定区域上例如通过施加粘合剂或通过热影响时效硬化先前涂覆的材料。已表明，在打印头运动的上游不仅使用一个涂层装置，而是使用两个装置。当打印头例如向方向A移动时，则第一涂层装置施加材料，当打印头向方向B移动时，则通过另一上游的涂层装置进行涂层。因此可以说打印头位于两个涂层装置之间，根据打印头的移动方向，第一或第二涂层装置施加待时效硬化的材料。但涂层装置和打印头这样彼此连接，使得涂层装置在打印头运动期间始终被一同引导。涂层装置并非独立于彼此且独立于打印头可运动地支承。这可限制设备的适用性并且也在制造层状体时导致更长的节拍。
发明内容
本发明的任务在于避免上述缺点并且提供相对于现有技术改进的设备和方法。
如果所述至少两个涂层装置和所述至少一个打印头可分别相对于彼此移动，则例如其中一个涂层装置可用打印材料、即颗粒材料填充，同时打印头和第二涂层装置在打印平台上方移动并执行打印过程。因此第二涂层装置可在打印平台上涂覆颗粒材料，这些颗粒材料随后通过打印头在局部预定区域上通过施加粘合剂而粘结。当第二涂层装置必须用颗粒材料填充时，则第一涂层装置可涂覆另一层颗粒材料并且打印头可将其粘结。特别是，对于尤其是建筑业中所需的大体积层状体需要大量的颗粒材料。这些大量的颗粒材料必须以尺寸均匀的层厚度被涂覆到打印平台上或涂覆到已经位于打印平台上的颗粒材料层上。由于颗粒材料量很大，因此为了填充涂层装置需要更多的时间。从而填充将延迟打印过程，因此需要填充装置和打印头的独立运动来实现高的节拍速度。
已证明特别有利的是，所述至少两个涂层装置和所述至少一个打印头分别具有独立的驱动装置。通过独立的、不相关的驱动装置，所述至少一个涂层装置和所述至少一个打印头不仅能够进行不同的运动，而且也可以不同速度移动。这还允许通过使所述至少两个涂层装置可通过机器人和/或线性马达驱动来实现。机器人在此具有机器人臂，其分别与一个涂层装置接触并使其在打印平台上方运动。通过机器人的精度可涂覆均匀的层厚度并且可在所有三个空间方向上进行运动。打印头也可通过另一机器人驱动，但也可直接通过驱动单元、如电动马达在打印平台上方移动。
也有利的是，所述至少两个涂层装置和所述至少一个打印头沿所述至少一个打印框架的纵向导向装置可分别相对于彼此移动地支承，所述至少一个打印头设置在所述至少两个涂层装置之间。通过将打印头设置在涂层装置之间并且使其沿一个共同的纵向导向装置移动，始终有一个涂层装置在沿纵向导向装置的运动中位于打印头上游并且因此可涂覆颗粒材料，这些颗粒材料随后通过打印头时效硬化。因此在打印头运动时没有“空行程”，因为在打印头沿纵向导向装置运动期间始终执行打印过程。由于所述至少两个涂层装置之一优选以快速速度返回其填充位置以进行填充的运动和所述至少一个打印头在输出所述至少一种粘合剂的情况下优选以打印速度的运动同时进行，进一步增强了节拍短的优点。
在此有利的是，用于制造层状体的方法包括下述工作步骤：
a.用颗粒材料填充所述至少两个涂层装置中的至少一个涂层装置；
b.通过所述至少一个涂层装置在打印平台上涂覆颗粒材料层；
c.通过所述至少一个打印头在局部预定区域上输出至少一种粘合剂。
附图说明
下面参考附图说明借助附图所示实施例详细阐述本发明的其它细节和优点。附图如下：
图1示出具有一个机器人的设备；
图2示意性示出具有两个涂层装置的设备；
图3a至3f示出涂层装置和打印头的不同运动过程；
图4示出缓存器的填充；
图5示意性示出打印头和涂层装置的运动过程；并且
图6示出包括多个设备的系统。
具体实施方式
图1示出用于制造至少一个用于建筑业的三维层状体SK的设备1，所述三维层状体由多个在打印平台9上叠置设置的颗粒材料P层制成，所述颗粒材料层在局部预定区域上固化并且彼此连接成至少一个三维层状体SK。打印框架8在此沿Z轴(高度和深度)可运动地支承在至少一个上升导向装置10上。至少一个涂层装置3a、3b和至少一个打印头7在打印平台9上方可运动地支承在打印框架8上。换句话说，当打印框架8沿空间方向Z上升或下降时，可运动地支承在打印框架8上的所述至少一个涂层装置3a、3b和所述至少一个打印头7一同运动。打印框架8具有至少一个纵向导向装置11，打印头7或所述至少一个涂层装置3a、3b沿该纵向导向装置可移动地支承。所述至少一个打印头7在此通过独立的驱动装置21运动，该驱动装置例如可通过电动马达或具有齿部或皮带传动装置的类似驱动装置实现。也可想到，所述至少一个打印头7通过机器人2的独立的机器人臂20运动。由于所述至少两个涂层装置3a、3b和所述至少一个打印头7分别具有独立的驱动装置2、21，因此在打印头7和所述至少两个涂层装置3a、3b移动期间可在打印框架8的区域中实现不同的运动并且也可实现不同的速度。如果所述至少两个涂层装置3a、3b可分别通过一个机器人2驱动，则可在三个空间方向X、Y和Z上实现不同的运动。因此在空间方向X、Y和Z上通过机器人2的运动将颗粒材料P层状地涂覆到打印平台9上。涂层装置3a、3b分别具有缓存器16。该缓存器16通过联接器18(参见图4)与出料装置4连接。出料装置4构造成漏斗形的并且在下侧具有刮板，该刮板将颗粒材料P以均匀的层分布到打印平台9上。细长的漏斗形的出料装置4沿其纵向延伸在上侧和其下侧具有开口。在上侧的开口上，颗粒材料P通过沿出料装置4可运动地支承的缓存器16散布到出料装置4的内部。可规定，缓存器16下方的计量装置6将所需量的颗粒材料P从缓存器16输入出料装置4中。接着，颗粒材料P经由沿出料装置4延伸的下侧开口被输出到打印平台9上或到已经位于打印平台9上的颗粒材料层上。计量装置6例如可通过挡板或阀实现，其调节所需颗粒材料P的流量或简单地开放或停止颗粒材料的供应。计量装置6例如可电气、气动或机械地控制。沿出料装置4上侧的纵向延伸的、用于输入颗粒材料P的开口具有柔性覆盖装置5。未被缓存器16覆盖的区域由该柔性覆盖装置5封闭。由此避免了颗粒材料P从出料装置4的上侧开口意外掉落到打印平台9上或到已经位于打印平台9上的颗粒材料P层上或通过出料装置4的运动被甩出或吹出。换句话说，覆盖装置避免了颗粒材料P因外部因素逸出。出料装置4不仅用于将颗粒材料P输出到下面的打印平台9上，而且也同时用作可运动地支承其上的缓存器16的导向装置。因此，缓存器16沿空间方向X的导向通过纵向导向装置11进行，沿空间方向Y的导向沿构造为导向装置或设有导向装置的出料装置4进行。
图2示意性示出具有涂层装置3a和涂层装置3b的设备1。涂层装置3a、3b可彼此分开地通过机器人臂20沿空间轴线X、Y和Z驱动、移动或引导。容器15用作混合器或用作颗粒材料P的存储器，其通过填充装置13到达缓存器16中。根据需要，通过输出装置14将所需量的颗粒材料P输出到缓存器16中。颗粒材料P从缓存器16经计量装置6进入出料装置4中。通过机器人臂20的运动，颗粒材料P层状地分布到打印平台9上。填充装置13也可通过例如传送带实现，该传送带在相应涂层装置3a、3b的填充位置BPa、BPb中填充缓存器16。在通过涂层装置3a、3b涂覆颗粒材料P层之后，打印头7在先前涂覆的颗粒材料P层上移动并且在局部预定区域上施加至少一种粘合剂以用于固化颗粒材料P。因此，在多次重复构建层并且在局部预定区域上进行固化之后产生层状体SK。
图3a示出涂层装置3a如何以材料涂覆速度V1施加一层颗粒材料P，在此期间打印头7保持在其位置中并且第二涂层装置3b保持在其填充位置BPb中以便用颗粒材料P填充。
图3b示出涂层装置3a到达打印头7并且已经在其路径上施加了一层颗粒材料P。第二涂层装置3b已经在填充位置BPb用颗粒材料P填充。打印头7和涂层装置3a、3b现在通过所述至少一个打印框架8升高预定距离，以便设定颗粒材料P层的厚度。打印框架8的升高距离优选介于2mm至15mm之间、特别优选介于8mm至12mm之间。
图3c示出涂层装置3a如何以快速速度V3返回移动到其填充位置BPa中。打印头7同时在与涂层装置3a相同的方向上以较低的速度、即打印速度V2移动。第二涂层装置3b在此时刻在与打印头7相同的方向上以材料涂覆速度V1移动。在此涂覆下一层颗粒材料P。
图3d示出所述至少一个打印框架8如何再次向上移动至少最后涂覆的层的高度，以便能够开始下一工作过程。涂层装置3a处于其填充位置BPa中并且正在或已经用颗粒材料P填充。
图3e示出涂层装置3b如何以快速速度V3返回移动到其填充位置BPb中。打印头7也以打印速度V2在相同方向上移动，然后是涂层装置3a，其以材料涂覆速度V1移动。在此涂覆下一层颗粒材料P。
图3f示出处于其填充位置BPb中的涂层装置3b。所述至少一个打印框架8在该位置中重新升高先前涂覆的层厚度。可开始下一打印过程，其重复如图3b至图3f所解释的工作步骤，以便构建层状体SK。
图3a至3f表明所述至少两个涂层装置3a、3b和所述至少一个打印头7在移动期间优选沿至少一个纵向导向装置11分别相对于彼此移动。所述至少两个涂层装置3a、3b在此可在所述至少一个打印框架8的区域中分别移动到一个填充位置BPa、BPb中以用颗粒材料P填充。在此所述至少两个涂层装置3a、3b仅通过机器人2运动。这也在图2中可见。在此规定，所述至少两个涂层装置3a、3b之一优选以材料涂覆速度V1在打印平台9上或在已经位于打印平台9上的层上层状地涂覆颗粒材料P，同时所述至少一个打印头7优选以打印速度V2运动以输出至少一种粘合剂。进一步规定，所述至少两个涂层装置3a之一优选以快速速度V3返回其填充位置BPa以进行填充的运动和所述至少一个打印头7在输出所述至少一种粘合剂的情况下优选以打印速度V2的运动同时进行。还规定，快速速度V3高于打印速度V2和/或打印速度V2高于材料涂覆速度V1。因此实现了短的节拍以及大量颗粒材料P的材料施加，这对于制造用于建筑业的层状体SK是必需的。设备1不仅应可用于制造原型或类似物，如传统的3D打印装置。设备1基于其短的节拍可制造用于建筑业的批量产品。
图4示出可如何通过机器人2的机器人臂20将缓存器16从联接器18移除，以便能够通过填充装置13填充它。在本实施例中构造为传送带的填充装置13将材料输送到料斗中，在该料斗下侧设有输出装置14。该输出装置将所需量的颗粒材料P输出到缓存器16上。通过计量装置6还防止颗粒材料P在从填充到联接器18的途中掉出缓存器16。在填充缓存器16之后，通过机器人臂20将缓存器16再次运动至联接器18并且在那里与出料装置4连接。处于缓存器16中的材料现在可转移到出料装置4中。为简单起见，图4仅示出一个机器人2，但也可使用多个机器人2以及多个缓存器16。
图5示意性示出涂层装置3a、3b沿空间方向X、Y的运动过程。未示出沿空间方向Z的运动，在该方向上打印框架8可向上和向下运动。这在图1和图2中示出。涂层装置3a、3b沿空间方向X、Y的位置可通过机器人臂20相对于彼此独立地自由选择。每个涂层装置3a、3b本身具有与自身机器人臂20的自身连接。可沿空间方向X、Y与涂层装置3a、3b的位置无关地选择打印头7的位置。因此涂层装置3a、3b可彼此独立地将颗粒材料P分布到打印平台9上。随后颗粒材料P通过打印头7在输出所述至少一种粘合剂的情况下固化。此外规定，所述至少两个涂层装置3a、3b和所述至少一个打印头7可同时以不同速度V1、V2、V3移动。
图6示出多个机器人2如何操作多个设备1。在该实施例中示出两个并排设置的设备1，在其旁边设有两个机器人2。所述机器人的机器人臂20与缓存器16连接或可连接。因此机器人2可以其机器人臂20将缓存器16与一个出料装置4通过联接器18解耦并放置到另一设备1的另一出料装置4上。因此一个机器人2可填充多个涂层装置3a、3b。一个机器人2可交替地在不同设备1上执行涂层装置3a、3b的填充或运动过程。

Claims (24)

1.用于制造用于建筑业的至少一个三维层状体(SK)的设备(1)，所述三维层状体由多个在打印平台(9)上叠置设置的颗粒材料(P)层制成，所述颗粒材料层在局部预定区域中固化并且彼此连接成所述至少一个三维层状体(SK)，该设备包括：
-至少一个打印框架(8)；
-至少两个用于在打印平台(9)上层状地涂覆颗粒材料(P)的涂层装置(3a、3b)，所述至少两个涂层装置(3a、3b)可运动地支承在所述至少一个打印框架(8)上；和
-用于将至少一种粘合剂输出到所述局部预定区域上的至少一个打印头(7)，所述至少一个打印头(7)可运动地支承在所述至少一个打印框架(8)上，
其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)和所述至少一个打印头(7)能够分别相对于彼此移动，也就是，所述至少两个涂层装置(3a、3b)能够相对于彼此移动，所述至少一个打印头(7)和所述至少两个涂层装置(3a、3b)中的一个涂层装置能够相对于彼此移动，并且所述至少一个打印头(7)和所述至少两个涂层装置(3a、3b)中的另一个涂层装置能够相对于彼此移动。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)沿至少一个纵向导向装置(11)可运动地支承在所述至少一个打印框架(8)上。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个打印头(7)沿至少一个纵向导向装置(11)可运动地支承在所述至少一个打印框架(8)上。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个打印框架(8)沿竖直方向(Z)可运动地支承在至少一个上升导向装置(10)上，从而在所述至少一个打印框架(8)沿该方向(Z)运动时可运动地支承在所述至少一个打印框架(8)上的所述至少两个涂层装置(3a、3b)和所述至少一个打印头(7)能够一同运动。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)和所述至少一个打印头(7)分别具有独立的驱动装置(2、21)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)能够通过机器人(2)和/或线性马达驱动。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)具有缓存器(16)，该缓存器(16)能够在填充位置(BPa、BPb)中用颗粒材料(P)填充。
8.根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)具有缓存器(16)，该缓存器(16)能够在沿纵向导向装置(11)构造的填充位置(BPa、BPb)中用颗粒材料(P)填充。
9.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，在填充所述至少两个涂层装置(3a、3b)中的第一个涂层装置的缓存器(16)期间，所述至少两个涂层装置(3a、3b)中的另一个涂层装置能够运动以涂覆颗粒材料(P)。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)和所述至少一个打印头(7)能够同时以不同速度移动。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)和所述至少一个打印头(7)沿所述至少一个打印框架(8)的纵向导向装置(11)分别相对于彼此可移动地支承，所述至少一个打印头(7)设置在所述至少两个涂层装置(3a、3b)之间。
12.用于借助根据权利要求1至11中任一项所述的设备制造用于建筑业的至少一个三维层状体(SK)的方法，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)和所述至少一个打印头(7)在移动期间分别相对于彼此移动。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)和所述至少一个打印头(7)在移动期间分别沿至少一个纵向导向装置(11)相对于彼此移动。
14.根据权利要求12所述的方法，包括下述工作步骤：
a.用颗粒材料(P)填充所述至少两个涂层装置(3a、3b)中的至少一个涂层装置；
b.通过所述至少一个涂层装置(3a、3b)在打印平台(9)上涂覆颗粒材料(P)层；
c.通过所述至少一个打印头(7)在所述局部预定区域上输出至少一种粘合剂。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在涂覆颗粒材料(P)层之前，将所述至少一个打印框架(8)升高预定距离，以便设定颗粒材料(P)层的厚度。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述距离介于2mm至15mm之间。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述距离介于8mm至12mm之间。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)在所述至少一个打印框架(8)的区域中分别移动到填充位置(BPa、BPb)中以被颗粒材料(P)填充。
19.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)仅通过机器人(2)运动。
20.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)之一在打印平台(9)上层状地涂覆颗粒材料(P)，同时所述至少一个打印头(7)运动以便输出所述至少一种粘合剂。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)之一以材料涂覆速度(V1)在打印平台(9)上层状地涂覆颗粒材料(P)，同时所述至少一个打印头(7)以打印速度(V2)运动以便输出所述至少一种粘合剂。
22.根据权利要求12至17中任一项所述的方法，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)之一返回运动到其填充位置(BPa)中以进行填充，同时所述至少一个打印头(7)运动以便输出所述至少一种粘合剂。
23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述至少两个涂层装置(3a、3b)之一以快速速度(V3)返回运动到其填充位置(BPa)中以进行填充，同时所述至少一个打印头(7)以打印速度(V2)运动以便输出所述至少一种粘合剂。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述快速速度(V3)高于所述打印速度(V2)和/或所述打印速度(V2)高于所述材料涂覆速度(V1)。
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