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Die vorliegende Erfindung betrifft einen 3D-Drucker zum dreidimensionalen Aufbau metallischer Gegenstände sowie mehrere Verfahren zum Betreiben desselben.
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Stand der Technik
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Ein 3D-Drucker erzeugt ein dreidimensionales Objekt, indem dieser in einer Abfolge einer Vielzahl von Schnittebenen durch die dreidimensionale Form des Objekts das Ausgangsmaterial an den Orten in der Schnittebene, die zum Objekt gehören, zum Beispiel im flüssigen Aggregatzustand zugibt. Das geschmolzene Material lagert sich nach dem Erstarren fest an, so dass aus der Kombination des Materials in allen Schnittebenen das gewünschte Objekt entsteht.
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In den meisten 3D-Druckern ist das Ausgangsmaterial heutzutage ein Kunststoff, der in Form eines Filaments zugeführt und in einem Druckkopf aufgeschmolzen wird. Metalle als Ausgangsmaterial, die einen wesentlich höheren Schmelzpunkt als Kunststoff haben, lassen sich nicht auf diese einfache Weise verarbeiten. Sie werden als Pulverbett dargeboten und in jeder Schnittebene an den Orten, an denen sich das Metall am Objekt anlagern soll, mit einem Laser lokal aufgeschmolzen.
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Nachteilig sind die Handhabung des pulverförmigen Ausgangsmaterials und des nötigen Hochleistungslasers für den Consumerbereich sicherheitstechnisch problematisch. Zusätzlich sind die technischen Einrichtungen zur Handhabung des Pulvers, das Lasersystem und das pulverförmige Ausgangsmaterial selbst extrem teuer. Aktuelle 3D-Drucker, die Metalle als Ausgangsmaterialien durch selektives Laserschmelzen (SLM) verarbeiten, benötigen hierzu ein aufwendiges Lasersystem. Im laufenden Betrieb fallen Kosten für Fachpersonal an, das ordnungsgemäß in Sachen Lasersicherheit geschult ist.
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Aufgabe und Lösung
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen 3D-Drucker zur Verfügung zu stellen, der Metalle als Ausgangsmaterialien kostengünstiger und mit geringerem Gefährungspotential verarbeiten kann als 3D-Drucker nach dem bisherigen Stand der Technik.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen 3D-Drucker gemäß Hauptanspruch sowie durch Verfahren gemäß Nebenansprüchen und durch eine Verwendung gemäß weiterem Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein 3D-Drucker zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus einem Ausgangsmaterial entwickelt. Das Ausgangsmaterial kann insbesondere formlos sein. Dieser umfasst eine Zuführung für das Ausgangsmaterial sowie eine Wärmequelle zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials. In der Abfolge einer Vielzahl von Schnittebenen durch die dreidimensionale Form des Objekts gibt dieser Drucker das Ausgangsmaterial im flüssigen Aggregatzustand an den zur Form des Objekts gehörigen Orten zu und lässt es anschließend erstarren. Dadurch verbindet sich das in allen Schnittebenen aufgebrachte Ausgangsmaterial fest zum gewünschten Objekt.
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Erfindungsgemäß ist ein Gasbrenner als Wärmequelle vorgesehen, und es sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen diesem Gasbrenner und dem Objekt vorgesehen.
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Dies kann beispielsweise bewerkstelligt werden, indem der Gasbrenner entweder in dem Raum, in dem das Objekt entsteht, in drei Dimensionen oder aber über eine Fläche, auf der dem Objekt Material hinzugefügt wird, in zwei Dimensionen bewegbar ist. Alternativ oder in Kombination kann die Aufbaufläche, auf der das Objekt entsteht, bzw. das Objekt dreidimensional im Raum bewegbar sein. Der Gasbrenner kann dann fixiert oder ebenfalls bewegbar sein.
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Der 3D-Drucker erwirbt durch den Gasbrenner als lokale, leistungsstarke Wärmequelle eine besondere Eignung für metallische Ausgangsmaterialien. Er ist jedoch nicht auf diese Materialien eingeschränkt. Prinzipiell lässt sich auch jedes Ausgangsmaterial verarbeiten, das nach dem bisherigen Stand der Technik verwendbar war.
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Gegenüber dem Stand der Technik wird zunächst der Nachteil in Kauf genommen, dass zum lokalen Heizen des Ausgangsmaterials nicht mehr nur ein Laserstrahl gescannt werden muss, sondern ein kompletter Brenner oder das Objekt mechanisch zu bewegen ist. Dieser Nachteil wird jedoch durch mehrere Vorteile überkompensiert: So kann das eingangs genannte Lasersystem durch einen relativ günstigen Gasbrenner ersetzt werden. Trotz der für die Bewegung des Gasbrenners erforderlichen Mechanik ist ein 3D-Drucker, der vergleichbare Leistungen erbringt wie eine bisherige SLM-Anlage, wesentlich günstiger. Da kein Hochleistungslaser mehr zum Einsatz kommt, sind die Sicherheitsanforderungen für die Nutzung und die Wartung wesentlich geringer. Wenn hybride Bauteile aus mehreren Werkstoffen hergestellt werden, etwa aus Metall und aus Kunststoff, werden außerdem bessere Ergebnisse erzielt. Bei Anlagen mit Lasern wirkt es sich hier nachteilig aus, dass sich verschiedene Materialien bei Bestrahlung mit der Laserwellenlänge stark unterschiedlich verhalten können.
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Unter einem Gasbrenner im Sinne dieser Erfindung wird allgemein ein Brenner für fluidische Brennstoffe verstanden. Ein solcher fluidischer Brennstoff kann beispielsweise auch ein verflüssigtes Gas oder eine Brennflüssigkeit sein.
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Prinzipiell kann jedes Brenngas verwendet werden. Besonders einfach zu handhaben ist jedoch Wasserstoff. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Gasbrenner daher mit Wasserstoff betreibbar.
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Wasserstoff kann aus einem gasförmigen Vorrat zugeführt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält der 3D-Drucker jedoch einen Elektrolyseur oder eine Einrichtung zur chemischen Abspaltung von Wasserstoff aus Wasser oder einer wässrigen Säure. Dann werden die Gefahren, die sich bei der Lagerung größerer Mengen von Wasserstoff ergeben, vermieden. Speziell mit einem Elektrolyseur kann außerdem unmittelbar diejenige Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt werden, die optimal mit einer nadelförmigen Flamme verbrennt. Eine solche Flamme strahlt praktisch die gesamte Hitze in Vorwärtsrichtung des Gasstroms ab, während die Wärmeeinwirkung querab von dieser Richtung vernachlässigbar ist. Da der Elektrolyseur den Sauerstoff für die Verbrennung des Sauerstoffs gleich mitliefert, kann das Ausgangsmaterial auch unter einer Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum bearbeitet werden.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Induktionsspule als zusätzliche Wärmequelle für ein elektrisch leitfähiges Ausgangsmaterial vorgesehen. Ein solches Ausgangsmaterial kann insbesondere ein Filament (Draht) aus einem Metall sein. Durch eine Induktionsspule oder auch eine andere Zusatzheizung, wie z.B. eine elektrische Heizspule, kann der Draht vor dem eigentlichen Aufschmelzen durch den Gasbrenner vorgeheizt werden. Er kann beispielsweise insbesondere so weit vorgeheizt werden, dass er weich wird und durch eine sich verjüngende Düse gepresst werden kann, wodurch sich sein Querschnitt bereits vor dem Aufschmelzen verengt. Mit einer elektrischen Widerstandsheizung als zusätzliche Wärmequelle können auch nichtleitende Ausgangsmaterialien vorgeheizt werden.
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Ist die Induktionsspule oder die sonstige elektrische Heizung hinreichend leistungsfähig, kann sie den Gasbrenner eventuell sogar ersetzen. Die Erfindung bezieht sich daher ausdrücklich auch auf einen 3D-Drucker, bei dem anstelle des Gasbrenners eine Induktionsspule oder eine sonstige elektrische Heizung zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials vorgesehen ist.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Mittel zur Abtrennung einer Portion von einem draht- oder bandförmigen Ausgangsmaterial vor dem Aufschmelzen durch den Gasbrenner vorgesehen. Dann kann die Menge an Ausgangsmaterial, die in Form eines Flüssigkeitstropfens auf das Substrat oder auf das Objekt aufgebracht wird, frei bestimmt werden. Außerdem kann die Erwärmung durch den Gasbrenner voll auf diese Portion an Ausgangsmaterial konzentriert werden. Es geht keine Wärme durch Wärmeleitung in den restlichen Vorrat des Ausgangsmaterials verloren.
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Als Ausgangsmaterial sind insbesondere Metalle oder Metalllegierungen mit einem Schmelzpunkt von 1.100°C oder weniger geeignet. Vorteilhaft enthält das Ausgangsmaterial eines oder mehrere der Metalle Zinn, Aluminium, Silber, Gold und/oder Kupfer sowie Legierungen daraus.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind eine Fördereinheit für ein draht- oder bandförmiges Ausgangsmaterial zusammen mit dem Gasbrenner und/oder zusammen mit den Mitteln zur Abtrennung einer Portion von dem Ausgangsmaterial in einem Druckkopf zusammengefasst. Zusätzlich sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und dem Objekt vorgesehen. Es kann also entweder der Druckkopf oder das Objekt bewegt werden, oder es können sowohl der Druckkopf als auch das Objekt bewegt werden.
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Der Druckkopf verleiht dem 3D-Drucker einen kompakten und einfach zu handhabenden Aufbau, der das Drucken mit metallischen Ausgangsmaterialien auch für ungeübte Benutzer (Consumer) praktikabel macht. Der Benutzer muss nur an einer definierten Stelle das Ausgangsmaterial einführen. Der Druckkopf als kompakte Einheit erfordert keine Wartung durch den Benutzer, sondern kann, wenn er verunreinigt oder verschlissen ist, im Ganzen ausgewechselt werden.
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Mit dem Druckkopf kann das Ausgangsmaterial aufgeschmolzen und in Tropfen aufgeteilt werden, und diese Tropfen können dann analog einem Tintenstrahldrucker sukzessive dem Objekt hinzugefügt werden. Dabei kann die Aufteilung in Tropfen in der einfachsten Ausführungsform selbstorganisiert erfolgen, indem diese sich durch die Schwerkraft ablösen, wenn sie eine kritische Größe erreicht haben. Die Stellgrößen für die Tropfengröße sind dann die Nachschubrate an Ausgangsmaterial und die Heizleistung des Gasbrenners. Die Größe und Menge der Tropfen kann dabei durch eine gezielte Bohrungsform und einen Bohrungsdurchmesser je nach Verfahren vorteilhaft beeinflusst werden.
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Sofern der Gasbrenner in den Druckkopf integriert ist, ist er vorteilhaft gegen ihn verfahrbar oder schwenkbar angeordnet. Dann ist die durch ihn erwärmte Zone variabel positionierbar und zugleich auch die Intensität der Erwärmung besser regulierbar. Es können dann mit der Wärmewirkung des Gasbrenners ganz unterschiedliche Bearbeitungsschritte vorgenommen werden. Beispielsweise kann der Gasbrenner nicht nur zum Aufschmelzen von Ausgangsmaterial genutzt werden, das in Tropfenform vom Druckkopf zum Objekt transportiert werden soll, sondern auch zur nachträglichen Glättung der Oberfläche durch einen weiteren Erwärmungsschritt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist am Druckkopf ein Schwingungserzeuger angeordnet, der insbesondere zur Erzeugung von Schwingungen des Druckkopfes in Richtung zum Objekt bzw. vom Objekt weg ausgebildet sein kann. Dieser Schwingungserzeuger kann beispielsweise ein Transducer für Ultraschall sein. Der Schwingungserzeuger kann insbesondere als Mittel zur Aufteilung des (aufgeschmolzenen) Ausgangsmaterials in (tropfenförmige) Portionen dienen. Vorteilhaft ist dabei der Gasbrenner von den Schwingungen des Schwingungserzeugers entkoppelt.
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Durch eine impulsive Bewegung, im wiederholten Fall eine Oszillation genannt, können Tropfen aus flüssigem Metall gezielt von dem im Druckkopf befindlichen, noch nicht aufgeschmolzenen Ende des draht- oder bandförmigen Ausgangsmaterials abgelöst werden. Diese impulsive Bewegung kann durch Aktuatoren, wie zum Beispiel Magnetaktuatoren oder Piezoaktuatoren, erfolgen, welche zum Beispiel an der Drahtzuführung in den Druckkopf wirken. Das noch nicht aufgeschmolzene Drahtende wirkt damit vergleichbar einem Stempel auf die Flüssigkeit.
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Alternativ oder auch in Kombination zu dieser Ausführungsform ist auch ein separater Stempel einsetzbar, welcher radial oder axial auf den Bereich der Flüssigkeit wirkt. Vorteilhaft schließt dieser Stempel das Spritzloch des Druckkopfes dicht ab.
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Alternativ oder auch in Kombination kann die Ablösung des Tropfens aus dem Druckkopf auch durch einen kurzen Ultraschallimpuls vorteilhaft beeinflusst werden. Dazu können der Stempel, der Druckkopf oder beide Komponenten in eine kurze hochfrequente Schwingung im Bereich weniger 10 kHz versetzt werden.
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Alternativ oder auch in Kombination kann die Ablösung des Tropfens auch durch einen Druckunterschied zwischen dem Flüssigkeitsbereich und der zu bedruckenden Umgebung vorteilhaft beeinflusst werden. Dazu kann sowohl ein Überdruck oder der Wechsel von Unter- und Überdruck zur Umgebung auf die Flüssigkeit zu einer Tropfenablösung führen.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Druckkopf eine zusätzliche Wärmequelle zum Heizen des Ausgangsmaterials angeordnet, die das Ausgangsmaterial auf dem Weg von der Fördereinheit zur durch den Gasbrenner erwärmten Zone durchläuft. Wenn der Gasbrenner nicht mehr die gesamte Erwärmung von der Raumtemperatur bis zur Schmelztemperatur des Ausgangsmaterials allein bewältigen muss, kann die Flamme kleiner gewählt werden, so dass sich damit kleinere Portionen des Ausgangsmaterials und letztendlich filigranere Strukturen am Objekt herstellen lassen.
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Vorteilhaft ist das Ausgangsmaterial hinter der Fördereinheit durch eine Düse geführt, deren Querschnitt sich in der Förderrichtung des Ausgangsmaterials verjüngt. Beispielsweise kann diese Düse zwischen der Fördereinheit und der durch den Gasbrenner erwärmten Zone vorgesehen sein, wobei ihr Querschnitt sich zur erwärmten Zone hin verjüngt. Damit kann bereits eine Vorauswahl für die Größe der Portionen getroffen werden, in die das Ausgangsmaterial aufgespalten wird. Insbesondere kann die Düse mindestens zwei Auslässe aufweisen, die insbesondere unterschiedlichen Formen und/oder Durchmesser haben können. Das Ausgangsmaterial muss noch nicht vollständig aufgeschmolzen sein, um durch diese Auslässe hindurchgedrückt zu werden. Es reicht aus, wenn es bereits aufgeweicht, aber noch im festen Aggregatzustand ist.
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Die Düse muss keine starre Form haben. Sie kann beispielsweise auch aus einem elastischen Mantel gebildet sein, der sich bei Beaufschlagung mit einem Druckmittel, etwa einem Öl, in Richtung der Achse des draht- oder bandförmigen Ausgangsmaterials wölbt. Dann können die Querschnittsfläche der Düse und die Steilheit, mit der sie sich verjüngt, stufenlos während des Betriebes angepasst werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Anordnung der Gasflamme zum zugeführten Draht sind eine symmetrische Anordnung, so dass der Draht mittig geführt wird und die Flamme axial in Drahtvorschubrichtung oder radial zur Drahtvorschubrichtung platziert ist. Der Gasbrenner und insbesondere die Gasflamme können in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung auch koaxial zur Zuführungsrichtung (Drahtvorschubrichtung) des Ausgangsmaterials angeordnet sein.
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Im Rahmen der Erfindung wurde auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen 3D-Druckers entwickelt. Dabei wird die Flamme des Gasbrenners an mindestens einer vom Brenngas durchströmten Düse gebildet. Erfindungsgemäß werden mindestens zwei Düsen mit verschiedenen Geometrien gleichzeitig, nacheinander oder im Wechsel betrieben. Aus der dreidimensionalen Form des Objekts wird nun eine erste Subform extrahiert, die bei alleinigem Betrieb der ersten Düse präziser herstellbar ist als bei alleinigem Betrieb der zweiten Düse. Analog wird auch eine zweite Subform extrahiert, die bei alleinige Betrieb der zweiten Düse präziser herstellbar ist als bei alleinigem Betrieb der ersten Düse. Es wird nun die erste Subform durch Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Objekt und der ersten Düse und/oder durch Modulation der Brenngaszufuhr dieser ersten Düse hergestellt. Analog wird die zweite Subform durch Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Objekt und der zweiten Düse und/oder durch Modulation der Brenngaszufuhr dieser zweiten Düse hergestellt. Es werden dann die spezifischen Vorteile der Flammengeometrien, die mit den beiden Düsen realisierbar sind, arbeitsteilig ausgenutzt. Eine Modulation oder Pulsation der Brenngaszufuhr ist besonders einfach, wenn Wasserstoff als Brenngas durch einen Elektrolyseur erzeugt wird. Der Gasstrom ist dann voll elektronisch ohne bewegte Teile regelbar. Die Relativbewegung zwischen dem Objekt und den Düsen kann jeweils durch eine Bewegung der Düse, durch eine Bewegung des Objekts oder auch durch eine Kombination aus beiden Bewegungen erzeugt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein als Pulverbett vorliegendes Ausgangsmaterial gewählt. Im gleichen Pulverbett wird nun zunächst die erste Subform hergestellt, gefolgt von der zweiten Subform. Beide Subformen überlagern sich additiv zur gewünschten Form des Objekts.
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Vorteilhaft ist die mittlere Strukturgröße in der zweiten Subform um mindestens einen Faktor 10 größer als die mittlere Strukturgröße in der ersten Subform. Vorteilhaft beträgt die mittlere Strukturgröße in mindestens einer der Subformen 100 µm oder weniger. Insbesondere können erst filigrane und dann grobe Konturen hergestellt werden oder erst die späteren Außenkonturen mit geringer Oberflächenrauigkeit und dann die Innenkonturen Als Strukturen im Sinne des Begriffs „mittlere Strukturgröße“ werden nicht zufällige Rauhigkeiten verstanden, sondern diejenigen Strukturen, die gewollt in das Objekt eingebracht wurden, also Teil des dem Druck zu Grunde liegenden 3D-Modells waren. Auf diese Weise kann zum Einen die Übereinstimmung der letztendlich erzeugten Form mit der gewünschten Form des Objekts maximiert werden. Zum Anderen kann das Objekt auch effizienter gefertigt werden: Die meisten Objekte enthalten nur wenige filigrane Strukturen, auf die es jedoch für den gewünschten Verwendungszweck des Objekts entscheidend ankommt. Wenn zuerst diese filigranen Strukturen gefertigt werden und dies, aus welchem Grund auch immer, misslingt, entsteht kein zusätzlicher Zeitverlust durch die dann nicht mehr nötige Herstellung der groben Strukturen.
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Vorteilhaft erzeugt die zweite Düse eine breitere oder größer durchmessendere Flamme als die erste Düse. Die Breite oder der Durchmesser kann insbesondere um einen gleichen oder ähnlichen Faktor größer sein wie der Faktor zwischen den mittleren Strukturgrößen in den beiden Subformen. Die Breite bzw. der Durchmesser können dabei nach unten korrigiert werden, um zusätzliche Wärmeleitungseffekte zu berücksichtigen. Mit einer breiten Flamme können grobe Strukturen sehr schnell hergestellt werden. Mit einer schmalen oder gar nadelförmigen Flamme können filigrane Strukturen hergestellt werden, dies dauert jedoch länger.
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Der erfindungsgemäß im 3D-Drucker vorgesehene Gasbrenner kann zusätzlich noch eine weitere Funktion erfüllen. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen 3D-Druckers, bei dem ein Halbzeug aus einen Grundwerkstoff durch Beflammung mit dem Gasbrenner abgeschmolzen oder aufgeraut und anschließend das Objekt aus einem vom Grundwerkstoff verschiedenen Ausgangsmaterial durch 3D-Druck an das Halbzeug angeformt wird. Dabei kann insbesondere ständig zwischen Beflammung und Objektherstellung gewechselt werden, indem die Zufuhr von Ausgangsmaterial für die Objektherstellung und/oder die einwirkende Temperatur moduliert wird. Auf diese Weise lassen sich insbesondere Hybridbauteile aus einem Kunststoff als Grundwerkstoff, an dem Strukturen aus Metall angeformt sind, hergestellt werden. Die Beflammung des Kunststoffs, die zur Aufrauhung führt, bewirkt eine mechanische Verzahnung mit dem anschließend aufgebrachten flüssigen Metall. Eine vorteilhafte Strukturgröße für die Verzahnung liegt dabei in oder unter der Strukturgröße der Tropfen des angeformten Halbzeuges.
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Der erfindungsgemäße 3D-Drucker als Ganzes kann auch verwendet werden, um mit anderen 3D-Druckern hergestellte Objekte nachzubearbeiten. Mit seinem Gasbrenner kann die Oberfläche des Bauteils lokal auf oder über die Schmelztemperatur erwärmt und somit geglättet werden.
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Neben den genannten Ausgangsmaterialien sind beispielsweise auch Weichlote oder Hartlote geeignet. Der Einsatz des erfindungsgemäßen 3D-Druckers ist aber nicht auf Metalle beschränkt. Auch andere Werkstoffe, wie etwa Gläser, Halbleiter, Kunststoffe oder glasfaserverstärkte Kunststoffe, können verarbeitet werden.
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Der erfindungsgemäße 3D-Drucker kann mit einem herkömmlichen 3D-Drucker in einem Gerät kombiniert werden. Beispielsweise kann der erfindungsgemäß vorgesehene 3D-Drucker mit Gasbrenner mit einem herkömmlichen Druckkopf für das Fused Deposition Modeling (FDM), der mit einem Filament aus Kunststoff arbeitet, in einer Anlage kombiniert werden. Wie bei Fräsmaschinen üblich, kann dann beispielsweise zwischen diesen beiden Werkzeugen automatisiert gewechselt werden, was einen hybriden Aufbau dreidimensionaler Körper ermöglicht. Alternativ kann auch ein paralleler, zeitgleicher Betrieb möglich sein. Auch kann beispielsweise ein metallisches Halbzeug durch Beflammung mit dem Gasbrenner aufgeraut oder an seiner Oberfläche aktiviert werden, damit sich ein anschließend mit dem herkömmlichen FDM-Druckkopf aufgebrachter Kunststoff optimal mit dem Metall verzahnen kann.
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Wird als Ausgangsmaterial ein Pulver verwendet, kann eine bestehende Anlage für das SLM-Verfahren mit geringem Aufwand zu einem erfindungsgemäßen 3D-Drucker umgerüstet werden. Der bekannten Pulverkammer kann beispielsweise eine 3- oder 5-achsige Kinematik zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Gasbrenner und dem Pulverbett hinzugefügt werden. Alternativ oder in Kombination kann zu diesem Zweck ein Roboterarm verwendet werden.
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Ein erfindungsgemäßer 3D-Drucker für die Verarbeitung draht- oder filamentförmiger metallischer Materialien arbeitet prinzipiell ähnlich wie ein bekannter FDM-Drucker zur Verarbeitung von Kunststoffen. Der entscheidende Unterschied besteht in dem erfindungsgemäß vorgesehenen Gasbrenner, der ausreichend Wärme für das Aufschmelzen des metallischen Ausgangsmaterials liefert. Der Fördermechanismus für das Ausgangsmaterial muss auf die auftretenden höheren Temperaturen umgerüstet werden. Das geschmolzene Metall wird analog zum FDM-Verfahren über eine Düse auf die Aufbaufläche abgesetzt oder über Schwerkraft auf die Aufbaufläche getropft. Je nach Kinematik und Gestaltung des Druckkopfes ist auch erst ein Ablegen des Drahtes und dann eine Verschmelzung durch den Gasbrenner denkbar.
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen 3D-Druckers entwickelt. Bei diesem Verfahren wird ein draht- oder bandförmiges Ausgangsmaterial gewählt.
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Erfindungsgemäß wird das Ausgangsmaterial durch Modulation der Brenngaszufuhr des Gasbrenners, durch Modulation der Geschwindigkeit, mit der das Ausgangsmaterial zugeführt wird, oder durch Modulation des Drucks in mindestens einem Bereich, durch den das Ausgangsmaterial geführt wird, in Portionen aufgespaltet, die dem Objekt hinzugefügt werden.
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Diese Verfahrensweisen haben den Vorteil, dass das flüssige Ausgangsmaterial zwecks Abtrennung von Portionen nicht berührt werden muss. Gerade ein metallisches Ausgangsmaterial ist sehr heiß, so dass Portionierungsvorrichtungen, die mit diesem Material in Berührung kämen, stark beansprucht würden. Metalle sind darüber hinaus in vielen Fällen auch noch reaktiv und könnten gerade bei hohen Temperaturen die Portionierungsvorrichtungen chemisch angreifen.
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Vorteilhaft für die Verfahrensführung kann eine Schutzgas-Atmosphäre sein in der der Druckprozess ausgeführt wird. Damit kann zum Beispiel die Oxidation von Aluminium beim Druckprozess reduziert oder vermieden werden. Alternativ zu einer Schutzgas-Atmosphäre ist auch eine Verfahrensführung im Vakuum, d.h. bei sehr niedrigen Luftdrücken im mbar-Bereich möglich.
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Vorteilhaft für die Prozesskontrolle und Qualitätssicherung kann ein Bildverarbeitungs-System den Druckprozess überwachen und im Weiteren regeln.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
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1 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 3D-Druckers für ein pulverförmiges Ausgangsmaterial;
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2 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 3D-Druckers für ein drahtförmiges metallisches Ausgangsmaterial; und
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3 Alternative Möglichkeiten (Teilbilder a und b) zur Portionierung des drahtförmigen Ausgangsmaterials.
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4 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 3D-Druckers mit einem Druckkopf für ein drahtförmiges metallisches Ausgangsmaterial.
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5 Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen 3D-Druckers mit koaxialer Anordnung von Gasbrenner und Zuführung für das Ausgangsmaterial.
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Nach 1 besitzt der Raum 1, in dem das Objekt 7 entsteht, einen versenkbaren Boden 2. Das Ausgangsmaterial 3, das hier als Pulver vorliegt, wird dem Objekt 7 auf der Fläche 4 zugeführt. Die Fläche 4 entspricht dabei immer der aktuellen Schnittebene durch die dreidimensionale Form des Objekts 7. An allen Orten auf der Fläche 4, die in diesem Schnitt durch das Objekt 7 zur Form des Objekts 7 gehören, wird das Ausgangsmaterial 3 durch die vom Gasbrenner 5 erzeugte Flamme 6 aufgeschmolzen. Dazu ist der Gasbrenner 5 in zwei Dimensionen über die Fläche 4 beweglich. Nach dem Erstarren ist das Ausgangsmaterial 3 fest mit dem Objekt 7 verbunden. Das Ausgangsmaterial 3 wird vor dem Aufschmelzen durch einen Rakel 8 gleichmäßig über die Fläche 4 verteilt. Nachdem eine Schnittebene 4 fertig bearbeitet ist, wird der versenkbare Boden 2 abgesenkt und neues Ausgangsmaterial 3 mit dem Rakel 8 aufgetragen.
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Nach 2 wird ein drahtförmiges metallisches Ausgangsmaterial 13 einer Abrolleinheit 11 entnommen und von einer Fördereinheit 14 eingezogen. Dabei ist es um einen Umlenker 12 geführt. Über einen Stempel 15 wird der Draht 13 in Portionen 13a zerteilt, aus denen jeweils ein auf das Objekt aufzubringender Metalltropfen geformt werden soll. Jede Portion 13a wird hierzu zunächst mit einer Heizdüse 16, deren Querschnitt sich verjüngt und deren Wand eine Elektroheizung oder Induktionsheizung enthält, vorgewärmt. Am Ausgang dieser Düse wird die Portion 13a durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Gasbrenner 17, der über eine Wasserstoffzuführung 18 versorgt wird, aufgeschmolzen. Der dabei entstehende Tropfen wird dem Objekt hinzugefügt. Die Fördereinheit 14, der Stempel 15, die Heizdüse 16, der Gasbrenner 17 und die Wasserstoffzuführung 18 sind in einem wärmeisolierenden Gehäuse zu einem Druckkopf 19 zusammengefasst.
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Nach 3 gibt es weitere alternative Möglichkeiten, aus dem Ausgangsmaterial 13 Portionen 13a zu formen und diese in flüssige Tropfen umzuwandeln. 3a sieht hierzu einen Stempel 15 mit einem Messer 15a und einem Katapultantrieb 15b für die abgeschnittene Portion 13a vor. Der Katapultantrieb 15b befördert die Portion 13a in die Flamme des Gasbrenners 17, wo sie in einen Metalltropfen 13b umgewandelt wird.
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Nach 3b ist vorgesehen, dass die Portion 13a gleichzeitig durch den Stempel 15 vom Ausgangsmaterial 13 abgesondert und durch den Gasbrenner 17 aufgeschmolzen wird. Die Bewegung des Stempels 15 schleudert dann den bereits fertigen Metalltropfen 13b in Richtung des Ortes, an dem er dem Objekt hinzugefügt werden soll.
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Gemeinsames Merkmal der in den 2 und 3 offenbarten Ausführungsbeispiele ist, dass die in jedem Tropfen 13b enthaltene Materialmenge 13a vor der Ausbildung des Tropfens durch Absonderung der Portion 13a aus dem Ausgangsmaterial 13 mit Hilfe des Stempels 15 festgelegt wird.
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Damit aus dem Tropfen ein homogener Festkörper aufgebaut werden kann, ist die feste Verbindung zwischen einem neu auftreffenden Tropfen und dem bereits bestehenden Bauteil oder Substrat eine zwingende Voraussetzung. Beispielsweise wird für Zinn als Ausgangsmaterial bei 25°C Substrattemperatur (kein Vorheizen des Substrats) eine Tropfentemperatur von mindestens 290°C benötigt.
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Nach 4 sind alle Komponenten zur Fertigung flüssiger Portionen 13a aus einem drahtförmigen metallischen Ausgangsmaterial 13 in einem kompakten Druckkopf 19, der relativ zum Objekt 7 beweglich ist, zusammengefasst. Das Ausgangsmaterial 13 wird von einer Fördereinrichtung 14 zunächst durch eine elektrische Heizdüse 16 geführt, wo es vorgewärmt wird. Das Ausgangsmaterial 13 erreicht anschließend eine Heizzone 17a aus einem hochwarmfesten, gut wärmeleitfähigen Metall, die von dem am Druckkopf 19 angeordneten Gasbrenner 17 bis zur Verflüssigung aufgeheizt wird. Das flüssige Ausgangsmaterial 13 erreicht anschließend eine als Bohrung, Irisblende oder Messer ausgebildete Portionierungsvorrichtung 15, die Tropfen 13a einer definierten Größe erzeugt. Um die vom Gasbrenner 17 gelieferte Wärme in der Heizzone 17a zu konzentrieren und dort die Schmelztemperatur des Ausgangsmaterials 13 sicher zu erreichen, ist die Heizzone 17a durch zwei thermische Isolationsstücke 17b begrenzt. Diese Isolationsstücke schützen zugleich die Portionierungsvorrichtung 15 und die Widerstandsheizung 19 vor Beschädigung durch die vom Gasbrenner 17 erzeugte hohe Temperatur.
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Nach 5 ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Gasbrenner 17, und damit auch dessen Flamme 17c, koaxial zu der Richtung angeordnet, in der die Fördereinheit 14 das drahtförmige Ausgangsmaterial 13 zuführt. Eine als Messer ausgebildete Portioniereinrichtung 15 schneidet dieses Ausgangsmaterial 13 in Portionen 13a. Wird das Messer 15 zugedrückt, entsteht in dem Ausgangsmaterial 13 eine mechanische Spannung; wird am Ort des Messers 15 das Ausgangsmaterial 13 durchtrennt, löst sich diese Spannung, und die abgetrennte Portion 13a wird in Richtung der Flamme 17c geschleudert.
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Durch die Wirkung der Gasflamme 17c wird die Portion 13a aufgeschmolzen. Ein inhomogenes elektrisches Feld E zentriert die aufgeschmolzene Portion 13a und beschleunigt die in Richtung des Objekts 7.
