CN110023055A - 包括包络元件和填料的三维构件的叠加制造 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于制造构件的方法，包括以下步骤：通过叠加方法构造构件的包络元件(10)的至少一个区段，以及将尤其可发泡的或至少部分发泡的填料(20)引入包络元件(10)的区段中。

Description

包括包络元件和填料的三维构件的叠加制造
技术领域
本发明涉及用于制造构件/工件的方法，其中，构件至少部分地使用叠加方法制成。尤其可在用于家具和结构元件工业的构件的制造领域中使用这种方法。此外，本发明涉及一种装置以及一种产品。
现有技术
在叠加方法的领域中例如已知文献DE 2014 206 697 A1，该文献涉及用于构造实心体的装置以及方法。在该文献中示出的装置包括用于优选以剥除方式加工工件的加工工具，用于输送叠加材料、例如部分的木材、如木泡沫的输送机构，以及用于形成由借助输送机构输送的材料构成的实心体的施加单元。
此外已知的是，在叠加方法中借助熔融层积方法(FDM方法)制造工件，在熔融层积方法中由热塑性塑料以层积方式构造构件。在此使塑料颗粒或塑料丝熔化，通过喷嘴挤压并且以层积方式安置。
在熔融层积方法中制造构件时，为了提高构件稳定性并且为了支撑突出部制造所谓的填充或支撑结构。该结构构造在构件外部轮廓之内或之外。填充结构留在构件中，而支撑结构大多与其分开。
通过所选的填充结构的图案和其尺寸可使印刷的构件的密度变化以及实现构件更高的强度。当然图案也影响构件的强度。在支撑结构的情况下通过根据应用情况选择图案，确保相对快速的制造或支撑结构更高的强度。
根据使用的3D打印机的实施方式，借助与外部轮廓相同的印刷装置或单独的印刷装置制造填充或支撑结构。在具有两个打印头的系统中，填充结构也可由与外部轮廓不同的热塑性塑料制造。
但是上面描述的方法具有多种缺点。尤其在构造填充结构时需要相对高的时间消耗来制造构件，因为填充结构的每个轨道必须单独打印。这尤其在对具有所述填充结构的构件提出较高的强度要求时适用。这通常需要更高的材料应用以及由此更长的制造时间。对于根据前述制造方式构造支撑结构也适用。
此外，已知方法使得能量需求明显提高，并且在构件体积大的情况下，填充结构导致构件总重量明显提高。此外，通过使用填充结构仅可以非常有限的程度影响构件密度。由于在填充结构和外壳之间仅部分连接，仅实现了有限的模型强度，从而构件的强度大大取决于所选的填充图案。
发明内容
本发明的目的是，提供一种方法，借助该方法至少部分地克服或减少现有技术中已知的缺点，和/或提供一种方法，该方法使得能够以高效率进行灵活生产。也提供一种装置以及一种产品以实现所述目的。
权利要求1的主题为一种相应的方法。其他的优选的实施方式在从属权利要求中给出。此外，本发明涉及一种装置和一种产品。
本发明的思想是，首先借助叠加方法、优选借助熔融层积方法构造包络元件的一个区段。然后包络元件的该区段尤其在其最大程度或完全固化之后可被填充填料，尤其可发泡的或至少部分发泡的填料。因此例如可顺利地构造必要时具有复杂的外部轮廓的例如相对大体积的构件。因此，本发明实现了叠加方法在相对顺利制造时的可变性。
根据权利要求1的方法包括以下步骤：通过叠加方法构造包络元件的至少一个区段，以及将尤其可发泡的或至少部分发泡的填料、尤其泡沫材料引入包络元件的该区段中。对此优选地，以所述顺序实施所述步骤。
以这种方式可构造构件。术语“构件”在上下文中是指待构造的任意主体。术语“构件”尤其与“工件”、“结构元件”等同义。构件、工件或结构元件的具体示例是家具部件、地板、墙板、厨房工作台等。
作为填料优选使用所谓的泡沫材料。在本发明中的“泡沫材料”是指这样的材料，其能够发泡或者已经处于发泡/部分发泡的状态下。在发泡过程中在填料中引入孔或气泡，从而形成多孔的或泡沫状的结构。
包络元件的该区段包括至少一个开口来引入填料。例如包络元件可包括底部区段和一个或多个侧壁区段。
引入的填料优选至少部分地或完全地充满包络元件的该区段。也可引入如此多的填料，使得填料部分地从包络元件的开口中溢出。
在这种情况下然后可闭合在包络元件该区段中的用于引入填料的开口，和/或构造包络元件的优选需要用填料填充的另一区段。
通过使用填料、尤其泡沫材料在此可明显缩短在用于制造构件的叠加方法、尤其熔融层积方法中的印刷时间。此外，可降低构件的重量以及降低制造构件的能量消耗。
由于填料的性能的相对好的调节性可明显更好地选择构件密度。此处描述的方法使得能够制造体积大的或非常小的具有高强度性能的构件，因为相比于迄今已知的填充结构，填料完全地与构件的外表面连接。
因此可借助根据本发明的方法明显缩短印刷时间。此外可根据特殊要求通过调节填料的特性以相对短的时间实现构件填充。
通过使用填料使得印刷时间不再取决于构件密度以及填充图案。在填料在填充元件之内膨胀且由此完全充满待填充的空间时，不再需要特定的填充图案。因此构件密度与填料材料的多孔性以及材料特性相关，由此没有影响应用时间。
此外可以降低能量成本，因为无需使填料熔化。填料占构件总重量的相对小的部分。
基于对具体使用的填料的化学成分的认知可非常精确地设置构件密度。此外，在泡沫材料的情况下构件密度也与发泡程度以及泡沫的多孔性相关，发泡程度以及多孔性也是能够产生影响的。通过使用填料填充包络元件，还可实现比传统的填充结构更高的强度，因为实现了填料与包络元件的全面连接。
根据优选的实施方式，叠加方法是熔融层积方法。借助该熔融层积方法例如可以逐层的方式施加热塑性材料来形成包络元件，包络元件形成用于后续需要引入的填料的外壳。
优选地，填料是聚氨酯填料、尤其双组分聚氨酯填料。该填料例如可在引入到包络元件中之后或期间膨胀并由此充满包络元件。
此外，填料可为木泡沫、铝泡沫或塑料泡沫。
在下一方法步骤中，在引入填料之后可借助剥除的方法加工填料的裸露区域，以便构造平整的表面。在该另一表面上可进行印刷或施加另一材料。
根据一种实施方式，在引入填料之前、在引入时或引入之后使填料发泡，尤其通过添加助力气体，例如氮气或二氧化碳，或通过混入发泡剂。因此可加快地填充包络元件。此外可通过改变助力气体的类型和/或量改变填料的孔大小。
如果填料在引入之前发泡，则填料在发泡状态下到达包络元件中。如果在引入期间发泡，则填料处于至少部分发泡的状态，其中，填料在包络元件中必要时继续膨胀或发泡。在引入填料之后发泡意味着，填料在液态或膏状的状态下被引入包络元件中并且在其中膨胀或发泡。
尤其助力气体在温度变化时从固态/液态转变为气态。
例如所述的助力气体可以低温形式或作为冷冻剂，例如以液氮或干冰(冷冻的二氧化碳)的形式加入。例如，如果添加更多的助力气体，则立即获得更大的孔，反之亦然。该操作由此相对简单。此外，可有利地调节作用和反作用之间的关系。
如果使用发泡剂，则发泡剂可例如与温度相关地发挥发泡作用。这例如可通过在泡沫输出装置的喷嘴处的加热元件实现。
此外可使填料由两种组分混合而成，其中，两种组分具有用于使输出材料发泡的发泡作用并且发泡作用与两种组分的比例相关。
例如通过两种组分的相互反应发挥发泡作用。对此可使在应用材料中的所述反应的反应产物引起发泡过程。例如可释放气体，如二氧化碳来达到发泡效果。
使用双组分泡沫具有的优点是，可良好控制发泡并由此可调节孔大小。
根据另一实施方式，包络元件可设有和/或印刷有涂层或装饰元件(如实木饰面，塑料条等)。
此外，本发明涉及用于制造构件的装置，包括：第一装置、尤其印刷装置，用于通过叠加方法构造包络元件的至少一个区段；第二装置、尤其泡沫输出装置，其中第二装置设置成喷出可发泡的或至少部分发泡的填料并且将其引入包络元件的区段中。
通过用于构造包络元件的第一装置与用于填充包络元件的第二装置的结合，可明显加速构件的制造。此外可根据需要构造构件。关于其他的优点参见上述内容。
优选地，第一装置、尤其印刷装置；和第二装置、泡沫输出装置安装在载体上、尤其悬臂或门式横梁上，尤其可沿着载体移动的滑块上。因此可实现紧凑的构造方式。
根据一种实施方式，第一装置包括压注机，压注机设置用于加热和喷出颗粒或线形的材料。因此可以熔融层积方法构造包络元件。
此外，装置可包括用于切削加工的加工设备、尤其铣削设备、钻孔设备或磨削设备。对此还优选的是，加工设备与第一装置(印刷装置)和/或第二装置(泡沫输出装置)一起安装在载体上、尤其悬臂或门式横梁上，进一步优选安装在可沿着载体移动的滑块上。
此外优选的是，装置设置成用于实施根据上述方案中任一项所述的方法。相反地，根据其他变型方案的方法设置成，使用根据所述方案中的任一项所述的装置进行作业。
本发明还涉及一种构件、尤其家具部件，例如厨房工作台、家具正面、镶嵌板、地板元件、柜台等，其包括：由第一材料构成的至少一个包络元件，包络元件形成产品的外表面的至少一个区段；和填料，填料布置在至少一个包络元件之内并且充满至少一个包络元件，其中，通过叠加方法、尤其熔融层积方法制造至少一个包络元件。
根据本发明的另一目的方向还可使用在剥除方法中由实心体制成的包络元件。在此该替代的方法具有以下步骤：
用于制造构件的方法包括以下步骤：通过剥除方法、尤其通过铣削加工提供构件的包络元件的至少一个区段并且将填料引入到包络元件的该区段中。
该方法也可与其中一个从属权利要求和/或前述实施方式中的任意一个相结合。
根据另一目的方向，还提供一种构件，该构件具有：至少一个包络元件，该包络元件形成产品的外表面的至少一个区段；和填料，填料布置在至少一个包络元件之内并且充满该包络元件，其中，在填料中的凹口中引入另一材料、尤其塑料材料，这尤其用于形成轴承。
附图说明
图1示出了根据本发明的方法流程的第一实施方式；
图2示出了根据本发明的方法流程的第二实施方式。
对优选实施方式的详细描述
下面根据附图描述根据本发明的方法的示例性的方法流程。在上下文中提到的对特定方法步骤的其他变型可分别彼此结合来形成的新的实施方式。
图1示出了根据本发明的方法流程的第一实施方式。
首先，在该方法中在第一方法步骤S1中借助熔融层积方法建立(印刷)包络元件10。对此在压注机中相应的材料、尤其热塑性材料熔化并且通过印刷装置1的喷嘴挤压。
在方法步骤S1中制成具有在竖直方向向上打开的一侧的包络元件10之后，在后一方法步骤S2中借助泡沫输出装置2(泡沫喷嘴)将泡沫材料20例如作为填料引入包络元件10中。对此，包络元件10基本被完全充满。
所述泡沫材料20例如可为反应性泡沫，例如PU泡沫，PU泡沫以一定程度喷注到包络元件10中并且在此处膨胀。在泡沫材料20固化的过程中，泡沫材料20也与包络元件10的内侧连接。
在后一方法步骤S3中，在包络元件10的打开侧的区域中的不平整或凸出的泡沫材料20被除去。对此使用铣削设备3，借助铣削设备将凸出的泡沫材料20铣掉并因此实现泡沫材料20的平整的表面。铣削设备3可为3轴铣削设备、4轴铣削设备或5轴铣削设备。
在实施铣削作业之后，在方法步骤S4中形成中间产品，在中间产品中中间产品的侧面区域以及下侧由包络元件10形成并且中间产品的上侧主要由刮平或经铣削的泡沫材料20形成。方法步骤S4可包括清洁中间产品。
在下一方法步骤S5中此时在熔融层积方法中借助印刷装置1压印经铣削的泡沫材料的一个区段。在该实施例中在此局部地制造平整的表面作为包络元件10的一部分。
此外，在方法步骤S6中印刷出另一外部轮廓并因此以一定程度扩展包络元件10。在该方法步骤中构造的外部轮廓限定一空腔。在构造经扩展的包络元件10的外部区域之后，构造的空腔以泡沫填充(方法步骤S7)。也铣出经扩展的包络元件10的开口区域并且在该过程中除去泡沫材料的凸出部分(方法步骤S8)。
下面在根据本发明的方法中借助印刷装置1压印泡沫塑料的还裸露的区段并因此闭合包络元件(方法步骤S9、S10)。对此可在方法步骤8之后进行清洁。
在此处描述的实施方式中描述了用于构造相对简单的构件的制造方法。显而易见的是，通过所述方法也可制造复杂的构件。尤其可以任意频繁地重复方法步骤来扩展构件。这尤其适用于方法步骤S6-S8。
在所述方法中可通过使用的泡沫材料20的发泡性能或多孔性控制构件密度。根据使用的发泡系统可以高度精确性调节多孔性。这尤其适用于2K-PU泡沫，例如通过两个组分的混合比例。
例如可在构造家具部件时使用该方法，例如厨房工作台、桌板、家具正面、镶嵌板、地板等。尤其该方法适用于大体积的构件。
此外可以为如此制成的构件增补简单结构化的构件、例如借助黏接方法连接其他元件。纯示例性地，可将根据前面在图1中示出的方法制成的构件构造在平板形的工件上，从而提供成本有利的用于制造复杂构件的方法。
虽然在参考图1描述的方法中泡沫材料在竖直方向上从上方被引入包络元件10中，但是还可以将泡沫材料从侧面引入到包络元件的开口中。
此外可以在例如提出更高的强度要求时或在包络元件10实施成相对薄壁时在包络元件10之内同时印刷填充结构。
下面根据图2描述本发明的另一实施方式。
首先在第一方法步骤A1中构造包络元件10的一个区段。对此，方法步骤A1可相应于根据图1的方法步骤S1。
接下来在(图2中未示出的)方法步骤中将泡沫材料20引入包络元件10中并且接下来借助铣削工具制造平整的表面。具有泡沫材料20的包络元件10此时具有在方法步骤A2中示出的形状。
此时借助剥蚀方法在泡沫材料20的区域中除去环形的区段25。例如为此使用对此特别适用的钻机或铣削机。在环形的区段25的中间留有由泡沫材料20构成的销状体26(方法步骤A3)。
随后用塑料材料30填充环形的区段25(方法步骤A4)。塑料材料30例如可以液态或膏状被引入环形的区段25中。
在另一方法步骤A5中此时借助钻机/铣削机从泡沫材料20中除去销状体26。因此塑料材料30形成在下一方法步骤A6中可用于加入销40的立体件。
销40在此仅看作是示例性的。可替代地，也可将轴引入塑料体30中。在此可使用具有滑动轴承的特性的塑料材料。
此外，在此处描述的实施方式中示出了环形的区段25，在环形的区段中填充塑料材料30。环形的区段25也可构造成有角的区段、椭圆的区段等，并且具有或没有中间的开口。
在第二实施方式中也可实施前述替代方案。例如在借助叠加方法制造包络元件10之后，包络元件10的构造方式可为任意复杂的。
在该实施方式中描述了一种泡沫材料作为填料，该泡沫材料在引入包络元件10的区段之前、在引入时或引入之后进行发泡，在本发明中也可想到其他的填料。

Claims (17)

1.用于制造构件的方法，所述方法具有以下步骤：
通过叠加方法构造构件的包络元件(10)的至少一个区段，以及
将尤其能发泡的或至少部分发泡的填料(20)引入所述包络元件(10)的所述区段中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叠加方法包括熔融层积方法，优选在使用热塑性材料的情况下是熔融层积方法。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述填料(20)是木泡沫、铝泡沫、塑料泡沫或聚氨酯填料、尤其双组分聚氨酯填料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将如此多的填料引入所述包络元件(10)的所述区段中，使得所述填料(20)从所述包络元件(10)的所述区段中溢出，并且
优选在引入填料(20)之后借助剥除的、优选切削的方法加工填料(20)的裸露的区域，尤其用于构造平整的表面。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，具有下列步骤：借助叠加方法、尤其熔融层积方法在填料(20)上构造至少一个层以便至少局部地遮盖所述填料(20)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，具有以下步骤：尤其通过叠加方法、更优选熔融层积方法构造包络元件(10)的至少另一区段，其中优选的是，随后用填料填充所述包络元件(10)的所述至少另一区段。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在引入填料之前、在引入时或引入之后使所述填料发泡，尤其通过加入助力气体、例如氮气或二氧化碳，或通过混入发泡剂发泡。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，重复、尤其多次重复步骤：构造包络元件的至少一个区段和将填料(20)引入所述包络元件(10)的所述区段中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述包络元件(10)设有和/或印刷有涂层或装饰元件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助所述包络元件(10)的至少一个区段或至少另一区段构造支撑结构，从而支撑需要构造的构件，其中，所述构件通过根据权利要求1所述的步骤构造。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在被引入到所述包络元件(10)的区段中的填料(20)中引入凹口(25)，尤其通过剥除方法、例如在使用钻机或铣削机的情况下引入凹口(25)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述凹口(25)中引入能够流动的或膏状的材料，尤其塑料材料。
13.用于制造构件的装置，包括：
第一装置(1)，尤其印刷装置，所述印刷装置用于通过叠加方法构造构件的包络元件(10)的至少一个区段，以及
第二装置(2)，所述第二装置用于将尤其能发泡的或至少部分发泡的填料(20)引入到所述包络元件(10)的所述区段中。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述第一装置(1)和所述第二装置(2)安装在载体、尤其悬臂、门式横梁或铰接机器人手臂上，尤其安装在能沿着载体移动的滑块上。
15.根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，所述第一装置(1)包括压注机，压注机设置成加热并喷出线形的材料、尤其热塑性材料。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括用于剥除、尤其切削加工的加工设备(3)，尤其铣削设备、钻孔设备或磨削设备，
其中优选地，所述加工设备(3)与所述第一装置(1)和/或所述第二装置(2)安装在载体上、尤其悬臂、门式横梁或铰接机器人手臂上，进一步优选地，安装在能沿着所述载体移动的滑块上。
17.构件，尤其家具部件，例如厨房工作台、家具正面、镶嵌板、地板元件、柜台等，所述构件包括：
形成产品的外表面的至少一个区段的至少一个包络元件(10)；和填料，尤其布置在所述至少一个包络元件(10)之内并且充满所述至少一个包络元件的填料(20)，其中，通过叠加方法、尤其熔融层积方法制造所述至少一个包络元件。
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