DE102015011790A1

DE102015011790A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Formteile

Info

Publication number: DE102015011790A1
Application number: DE102015011790.4A
Authority: DE
Inventors: Ingo Ederer; Daniel Günther
Original assignee: Voxeljet AG
Current assignee: Voxeljet AG
Priority date: 2015-09-16
Filing date: 2015-09-16
Publication date: 2017-03-16
Also published as: US11890810B2; WO2017045660A1; EP3349966A1; US20190047218A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Formteile durch ein Schichtbauverfahren auf einem Baufeld in einem Bauraum einer Vorrichtung, wobei Materialien dem Bauraum zu- und abgeführt werden. Ein Zu- und Abführen aller Materialien erfolgt dabei in einer Raumrichtung der Vorrichtung.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Formteile durch ein Schichtbauverfahren auf einem Baufeld in einem Bauraum einer Vorrichtung, wobei Materialien dem Bauraum zu- und abgeführt werden.
In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht mittels Beschichter (recoater) auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verbindet und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt oder die Beschichter-/Druckkopfeinheit angehoben und eine neue Schicht Partikelmaterial aufgetragen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, selektiv bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt (Formteil).
Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann von Pulveranhaftungen z. B. durch händisches Abbürsten befreit werden.
Das 3D-Drucken auf Basis pulverförmiger Werkstoffe und dem Eintrag von Flüssigkeiten mit einem Druckkopf ist unter den Schichtbautechniken das schnellste Verfahren.
Mit diesem Verfahren lassen sich verschiedene Fluide, wie beispielsweise Partikelmaterialien, dazu zählen – nicht erschöpfend – natürliche biologische Rohstoffe, polymere Kunststoffe, Metalle, Keramiken und Sande, verarbeiten.
In ähnlicher Weise arbeiten auch andere Pulver-gestützte Rapid-Prototyping-Prozesse, wie z. B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern bei denen jeweils ebenso ein loses Partikelmaterial schichtweise ausgebracht und mit Hilfe einer gesteuerten physikalischen Strahlungsquelle selektiv verfestigt wird.
Darüberhinaus gibt es auch weitere Verfahren, wie beispielsweise das Fused-Deposition-ModelingFused(FDM)-Schichtbauverfahren, bei dem jeweils die Querschnitte des Bauteils durch ein flüssiges, außerhalb einer Düse sich verfestigendes Medium aufgebaut werden, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist Im Folgenden werden alle diese Verfahren unter dem Begriff „Schichtbauverfahren”, „dreidimensionale Druckverfahren” oder 3D-Druckverfahren zusammengefasst.
Verfahren, wie Sie in dieser Offenbarung beschrieben werden, können beispielsweise Fused-Deposition-Modeling-Technik, Stereolithographie, Lasersintern oder Laserschmelzen, Multijet- oder Polyjet-Modeling, High-Speed-Sintering oder Mulitjet-Fusion-Verfahren sowie Binder-Jetting (1 und 2) umfassen.
Bei Verfahren und Vorrichtungen des Standes der Technik werden vielfach Baubehälter (104) oder Bauplattformen (102) verwendet, die während eines Bauprozesses beispielsweise mittels eines Pulverbeschichters und eines Druckkopfes (100) mit Baumaterial belegt werden und beim Abschluss des Bauverfahrens zumindest die gewünschten Bauteile (103) tragen. Daneben kann auch noch eine gewisse Menge unverbauten Baumaterials im Baubehälter (104) oder der Bauplattform vorhanden sein. Diese Baubehälter (104) können oftmals von der eigentlichen Produktionsmaschine (300) entkoppelt werden und ausgetauscht werden. Dadurch wird eine hohe Maschinenausnutzung realisiert.
Die Baubehälter (104) und/oder Plattformen (102) können dabei in einer bestimmten Richtung aus der Maschine gezogen oder automatisch ausgefahren werden. Üblicherweise erfolgt dies manuell in horizontaler Richtung. Außerhalb des Baufeldes werden sie bei manchen Vorrichtungen von einem Handlinggerät übernommen und gegebenenfalls weiteren Bearbeitungsvorrichtungen zugeführt. Dieses kann beispielsweise ein Hubwagen sein, mit dem der Behälter zu einer weiteren Station gebracht wird. Bei einer solchen Ausgestaltung wird viel Raum vor der Produktionsmaschine (300) benötigt.
Auch das Baumaterial wird der Maschine über Behälter zugeführt. Dies können im Fall von Pulver beispielsweise Silos oder bei Flüssigkeiten Kanister sein. Beim Fused-Deposition-Modeling wird für das Baumaterial häufig eine Rolle des Baumaterials in die Maschine eingesetzt.
Allen Verfahren des Stands der Technik ist dabei gemein, dass das Ausgangsmaterial mit gänzlich anderen Mechanismen als der Baubehälter (104) gehandhabt wird. Die Bewegungsrichtungen der jeweiligen Handhabungsvorgänge sind dabei meist senkrecht zueinander und erfolgen von verschiedenen Seiten der Vorrichtung. Beim Fused-Deposition-Modeling wird beispielsweise bei großen Anlagen die Bauplattform mit einem Wagen von vorne entnommen. Das Baumaterial aber wird als Rolle von Hand seitlich der Maschine zugeführt.
Beim Binder-Jetting (2) wird oft das Material in einem Silo (200) vorgehalten und über Förderschnecken (201) in die Produktionsmaschine (300) gebracht. Der Binder wird über händisches Einsetzen von mit Binder gefüllten Kanistern (202) eingebracht, und der Baubehälter (104) kann beispielsweise über Schienen oder auch einfach über einen Transportwagen (204) gerüstet werden. Die Raumrichtungen aller Bewegungen kreuzen sich dabei. Vielfach sind Bewegungen bei Einzelvorgängen in mehrere oder alle Raumrichtungen möglich. Dies erzeugt eine große Menge an möglichen Bewegungen, Kollisionen und damit bedingt ist die Komplexität der Vorrichtung.
Es war daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, wobei möglichst wenig Platz für Be- und Entladevorgänge beansprucht wird. Ferner war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Kurze Zusammenfassung der Offenbarung
In einem Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Formteile durch ein Schichtbauverfahren auf einem Baufeld in einem Bauraum einer Vorrichtung, wobei Materialien dem Bauraum zu- und abgeführt werden und wobei ein Zu- und Abführen aller Materialien in einer Raumrichtung der Vorrichtung erfolgt.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung auch eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Formteile auf einem Baufeld in einem Bauraum, wobei Materialien dem Baufeld zu- und abgeführt werden und wobei alle Versorgungseinrichtungen derart an der Vorrichtung vorgesehen sind, dass ein Zu- und Abführen der Materialien aus einer Raumrichtung erfolgen kann.
Kurze Beschreibung der Figuren
1: Schematische Darstellung eines Binder-Jetting-Verfahrens des Standes der Technik zum Herstellen dreidimensionaler Formteile.
2: Schematische Darstellung gemäss Stand der Technik einer Materialzufuhr und einer Entnahme des hergestellten Formteils bei einem Binder-Jetting Verfahren.
3: Schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4: Schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer Versorgungseinrichtung für eine Vorrichtung gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
5: Schematische Darstellung einer Schnittstelle einer Versorgungseinrichtung zur Vorrichtung nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
6: Schematische Darstellung der Realisierung einer Schnittstelle bei systemabweichenden Schnittstellen gemäss eines Ausführungsbeispiels.
7: Schematische Darstellung eines Werkzeugs zum Aufnehmen einer Versorgungseinrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
8: Schematische Darstellung einer Anlage zur Realisierung eines bevorzugten Verfahrens nach der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
Im Folgenden werden einige Begriffe näher definiert. Andernfalls sind für die verwendeten Begriffe die dem Fachmann bekannten Bedeutungen zu verstehen.
Im Sinne der Erfindung sind „Schichtbauverfahren” bzw. „3D-Druckverfahren” alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen in dreidimensionalen Formen ermöglichen und mit den beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungen kompatibel sind.
„Formkörper” oder „Bauteil” im Sinne der Erfindung sind alle mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.
Als „Materialien” im Sinne der Erfindung sind alle der Vorrichtung Zu- und Abführbaren Materialien zu verstehen. Die sind insbesondere Baumaterialen, Bauteile, Formkörper, Maschinenteile, überschüssiges Material, Wartungsteile, Justiermittel usw..
Als „Vorrichtung” oder „Produktionsmaschine” zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung zum Schichtaufbauen verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile, Dosiervorrichtung und Wärmemittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.
Als „Fluide” können alle für den 3D-Druck bekannten, fließfähigen Materialien verwendet werden, insbesondere in Pulverform, als Schlacke oder als Flüssigkeit. Dies können beispielsweise Sande, Keramikpulver, Glaspulver, und andere Pulver aus anorganischen Materialien, Metallpulver, Kunststoffe, Holzpartikel, Faserwerkstoffe, Cellulosen oder/und Laktosepulver sowie andere Arten von organischen, pulverförmigen Materialien. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken frei fließendes Pulver, aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver kann verwendet werden. Diese Kohäsivität kann sich auch durch Beimengung eines Bindermaterials oder eines Hilfsmaterials ergeben.
„Baufeld” ist die Ebene oder in erweitertem Sinn der geometrische Ort, auf dem oder in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst. Häufig wird das Baufeld durch einen Boden, die „Bauplattform”, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt.
Die „Bauplattform” dient häufig als Basis für das Schichtbauverfahren. Auf der Bauplattform wird der Baujob aufgebaut, der die Bauteile, die das Ziel der Produktion sind, enthält. Bei vielen Produktionsverfahren kann diese Bauplattform aus der Maschine entnommen werden.
Bei manchen Verfahren ist zusätzlich zur Bauplattform ein „Baubehälter” vorgesehen. Zum Beispiel ist beim Binder-Jetting nach der Beendigung des Produktionslaufes im Baubehälter Pulver, das die gewünschten Bauteile enthält. Bei vielen Vorrichtungen kann der Baubehälter der Produktionsmaschine entnommen werden.
Unter dem „Bauraum” ist gemäß der vorliegenden Erfindung der gesamte Bereich der Vorrichtung zu verstehen, in dem der Schichtaufbauprozess stattfindet.
Der „Druckkopf” setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen. Unter anderem sind das die Druckmodule. Diese sind relativ zum Druckkopf ausgerichtet. Der Druckkopf ist relativ zur Maschine ausgerichtet. Damit kann die Lage einer Düse dem Maschinenkoordinatensystem zugeordnet werden.
„Beschichter” oder „Recoater” ist die Einheit mittels derer das Fluid in bzw. das Baufeld aufgebracht wird. Dieser kann aus einem Fluidvorratsbehälter und eine Fluidauftragseinheit bestehen, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung die Fluidauftragseinheit einen Fluidauslass und eine Beschichterklinge umfasst.
Unter einer „Raumrichtung” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine gedachte Achse zu verstehen, die einen bestimmten Winkel zu dem Koordinatensystem der Produktionsmaschine einnimmt. Im Sinne dieser Erfindung ist dies die Raumrichtung, in der Materialien im Bereich von Stationen bewegt werden. Erfindungsgemäß gibt es beispielsweise im Bereich der Produktionsmaschine nur einen Richtungssinn. Beispielsweise kann ein Handhabungssystem oberhalb der Produktionsmaschinen angebracht sein. Alle Bewegungen im Bereich der Produktionsmaschine müssen also nach oben oder nach unten verlaufen. Erst ab einer gewissen Höhe, abhängig von der Höhe der Produktionsmaschine und des Materials bzw. des Behälters, kann eine zweite Bewegungsrichtung zugelassen werden. Die Bewegungsrichtung sollte relativ zu den geometrischen Verhältnissen der Produktionsmaschine zumindest annähernd senkrecht zu den Kanten der Produktionsmaschine verlaufen.
Eine „Aufbaurichtung” im Sinne der Erfindung ist die Richtung, in der beim Schichtbauverfahren die Bauteile wachsen, also häufig an Höhe gewinnen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung soll unter einer „Schnittstelle” die Schnittstelle zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verstehen sein.
Dies kann beispielsweise die Schnittstelle zwischen dem Versorgungssystem und den Materialien sein, wie beispielsweise Behältern oder Werkzeugen. Die Schnittstelle kann mechanisch, elektrisch und für fluide Medien (z. B. Druckluft) definiert sein. Sie sollte für alle Materialien, Behälter und Werkzeuge gleich ausgeführt sein. Zumindest sollten alle Elemente zusammenpassen, auch wenn nicht alle Elemente alle Funktionen der Schnittstelle verwenden.
Unter dem Begriff „weitere Bearbeitungsstation” kann eine Produktionsmaschine oder eine beliebige Station, also auch eine Materialaufnahmestation, zu verstehen sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist unter einem ”Versorgungssystem” ein System zu verstehen, um die Produktionsmaschine in einer Raumrichtung mit Verbrauchsmaterial zu versorgen, Abfallstoffe zu entfernen und die produzierten Gegenstände aus dem Bereich der Produktion zu entfernen. Das Versorgungssystem umfasst bevorzugt auch ein Handhabungssystem für Behälter. Diese Behälter weisen vorzugsweise eine Schnittstelle auf, deren Gegenstück am Versorgungssystem angebracht ist. Die Behälter können auf verschiedene Positionen gefahren werden. Gewisse Positionen erfüllen eine Funktion und werden in dieser Beschreibung Stationen genannt.
Ein „Werkzeug” ist im Sinne dieser Erfindung eine mit dem Versorgungssystem verbindbare Vorrichtung die aktiv, also unter Einsatz von Energie und Information, eine Aufgabe durchführen kann.
Unter einer Station ist vorliegend eine Position des Versorgungssystems zu verstehen, die eine Funktion innehat. Beispielsweise ist eine Position eine Baubehälterrüstposition innerhalb der Produktionsmaschine. Ebenso kann die Neumaterialversorgungstation als Beispiel für eine Station dienen.
Ein „Behälter” ist gemäß der vorliegenden Beschreibung ein Objekt jedweder Form, das die Schnittstelle implementiert und Materialien aufnehmen kann. Ein Beispiel kann ein Behälter sein, der Sandpartikelmaterial beinhaltet. Ein solcher Behälter kann Schrägen aufweisen und ggf. auch eine zweite Schnittstelle z. B. zum Vorratsbehälter in der Produktionsmaschine. Die Öffnung des Behälters kann vorzugsweise über das Versorgungssystem betätigt werden.
Unter „Binder-Jetting-Schichtbauverfahren”, ist zu verstehen, dass schichtweise Pulver auf eine Bauplattform aufgebracht wird, jeweils die Querschnitte des Bauteils auf dieser Pulverschicht mit einem flüssigen Binder bedruckt werden, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist.
Dagegen werden bei „Fused-Deposition-Modeling(FDM)-Schichtbauverfahren”, jeweils die Querschnitte des Bauteils durch ein flüssiges, außerhalb einer Düse sich verfestigendes Medium aufgebaut, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist.
Unter „Lasersintern-Schichtbauverfahren”, ist zu verstehen, dass schichtweise Pulver auf eine Bauplattform aufgebracht wird, jeweils die Querschnitte des Bauteils auf dieser Pulverschicht mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen und durch Abkühlung verfestigt werden, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist.
Beim „Stereolithographie-Schichtbauverfahren” werden in einem Behälter mit einer Flüssigkeit jeweils die Querschnitte des Bauteils mit einem Laserstrahl durch chemische Reaktion verfestigt. Die Lage der Bauplattform wird um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist.
Verschiedene Aspekte der Erfindung werden im Folgenden beschrieben.
Die Erfindung betrifft in einem Aspekt ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Formteile durch ein Schichtbauverfahren auf einem Baufeld in einem Bauraum einer Vorrichtung wobei Materialien dem Bauraum zu- und abgeführt werden. Ein Zu- und Abführen aller Materialien erfolgt dabei in einer Raumrichtung der Vorrichtung.
Dadurch, dass nun alle Materialien in einer Raumrichtung in die Vorrichtung und aus der Vorrichtung herausgeführt werden, ist der Platzbedarf um die Vorrichtung herum deutlich geringer, da nur in einer Raumrichtung zusätzlicher Platz zum Herausführen/Einführen, Rangieren etc. vorgesehen sein muss.
Durch den Zugang aus jeweils nur einer Raumrichtung der Vorrichtung bleiben andere Raumrichtungen z. B. für Wartungszwecke frei.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Raumrichtung in Richtung einer Aufbaurichtung vorgesehen ist. Bei einer vertikalen Aufbaurichtung (die Schichten werden vertikal übereinander aufgebaut) bedeutet dies, dass dieser Platz in vertikaler Richtung oberhalb der Vorrichtung vorgesehen sein soll. Somit benötigt die Vorrichtung in horizontaler Richtung um die Vorrichtung herum keinen zusätzlichen Platz, wodurch die Vorrichtung sehr platzsparend beispielsweise in eine Anlage integriert werden kann.
Wird beispielsweise eine Versorgungseinrichtung oberhalb mehrerer in Reihe angeordneter Produktionsmaschinen angebracht, sind die Produktionsmaschinen von zwei Seiten gut zugänglich. Hierbei ist der Sicherheitsbereich um die Produktionsmaschinen gut abtrennbar, und es ist eine hohe räumliche Dichte der Produktionsmaschinen zu erzielen. Die Be- und Entladung aus nur einer Raumrichtung vereinfacht das Steuerungsproblem einer solchen Vorrichtung. Das Produktivsystem kann in der erfindungsgemäßen Weise modular aufgebaut werden und lässt verschiedene Automatisierungsgrade bezogen auf die Produktionsmaschinen zu. Die Produktionsmaschinen selbst werden dabei vorzugsweise für ein solches System vorbereitet, müssen aber nicht im Verband betrieben werden.
Vorzugsweise erfolgt das Zu- und Abführen der Materialien über eine Schnittstelle an der Vorrichtung.
Das Bereitstellen einer Schnittstelle vereinfacht das Anlenken der Materialien bzw. der Behälter, Plattformen oder ähnliches, die die Materialien aufnehmen. Auch eine Automatisierung ist durch die Bereitstellung einer Schnittstelle deutlich einfacher.
Dies kann auch noch weiter vereinfacht werden, wenn ein oder mehrere Handhabungsgeräte zum Zu- und Abführen der Materialien mit der Vorrichtung in Eingriff gebracht werden können.
Ein solches Handhabungsgerät kann vorzugsweise Materialien aus der Vorrichtung weiteren Bearbeitungsstationen zuführen. Dadurch kann die Automatisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens noch weiter verbessert werden.
Dabei ist es durchaus denkbar, dass mehrere Vorrichtungen und/oder Bearbeitungsstationen im Verband betrieben werden, wobei ein Versorgungssystem mehrere Vorrichtungen und/oder Bearbeitungsstationen beschickt.
Dabei kann das Zu- und Abführen der Materialen der mehreren Vorrichtungen in einer Linienanordnung oder einer Kreisanordnung realisiert sein.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Formteile auf einem Baufeld in einem Bauraum, wobei Materialien dem Baufeld zu- und abgeführt werden. Dabei sind bei der Vorrichtung alle Versorgungseinrichtungen derart an der Vorrichtung vorgesehen, dass ein Zu- und Abführen der Materialien aus einer Raumrichtung erfolgen kann.
Eine solche Vorrichtung kann sehr platzsparend eingesetzt werden.
Dies trifft insbesondere zu, wenn bei der Vorrichtung die Raumrichtung in Richtung einer Aufbaurichtung, oberhalb der Aufbaurichtung vorgesehen ist.
Eine noch bessere Handhabung wird erreicht, wenn an der Vorrichtung in Raumrichtung eine oder mehrere definierte Schnittstellen für eine Aufnahme der Versorgungseinrichtungen vorgesehen sind.
Ist dabei die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass eine Bauplattform und/oder ein Baubehälter in der Vorrichtung vorgesehen sind, die über die Schnittstelle ein- und ausführbar sind, kann ein Ein- und Ausführen der Materialien noch einfacher erfolgen.
Wenn ferner ein Handhabungsgerät vorgesehen ist, das mit der Vorrichtung in Eingriff gebracht werden kann und dadurch Materialien bzw. Behälter und Plattformen zu- und/oder abgeführt werden können, dann kann das Zu- und Abführen auch einfach automatisiert erfolgen.
Sind mehrere Vorrichtungen vorgesehen, die im Verband betrieben werden und ein Versorgungssystem vorgesehen ist, das mehrere Vorrichtungen beschickt, so kann eine Vielfalt automatisierter Herstellungsprozesse durchgeführt werden.
Je nach Herstellungsverfahren und Platzangebot kann es vorteilhaft sein, dass die Vorrichtungen derart angeordnet sind, dass ein Zu- und Abführen der Materialien in einer Linienanordnung oder einer Kreisanordnung möglich ist.
In einem noch weiteren Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung bei Fused-Deposition-Modeling-Verfahren, Stereolithographie, Lasersintern, Laserschmelzen, Multijet- oder Polyjet-Modeling, High-Speed-Sintering, Mulitjet-Fusion-Verfahren und/oder Binder-Jetting.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert, die bevorzugte Ausführungsformen darstellen.
In der 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gezeigt ist eine Vorrichtung zur Erstellung dreidimensionaler Bauteile, die ein entsprechendes Verfahren ausführen kann.
Bei dieser Vorrichtung bzw. Produktionsmaschine (300) ist zu erkennen, dass erfindungsgemäß sämtliche Materialien wie z. B. Verbrauchsmaterialien einschließlich der erzeugten Bauteile dieser Produktionsmaschine (300) jeweils aus einer Raumrichtung (303) zu- oder abgeführt werden. Dazu werden gemäss der gezeigten Ausführungsform jeweils Behälter (302) als Teil der verwendet, die eine definierte Schnittstelle (304) für eine Aufnahme aufweisen. Zudem kann eine Versorgungseinrichtung verwendet werden, die ein mit der Aufnahme verriegelbares Gegenstück trägt und damit die Behälter (302) aus dem Bereich der Produktionsmaschine (300) entfernen kann, in andere Vorrichtungen absetzen kann und ebenso Behälter (302) von mehreren Produktionsmaschinen (300) handhaben kann.
Für die Anwendung dieser Erfindung eignen sich insbesondere plattformbasierte Schichtbauverfahren. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren bei der Fused-Deposition-Modeling-Technik, bei der Stereolithographie, beim Lasersintern oder Laserschmelzen, beim Multijet- oder Polyjet-Modeling, dem High-Speed-Sintering oder dem Mulitjet-Fusion-Verfahren sowie dem Binder-Jetting (1 und 2, siehe auch oben Beschreibung zum Stand der Technik) angewendet werden.
Beispielsweise kann eine Produktionsmaschine (300) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung für das Binder-Jetting-Verfahren von oben, hier in Pfeilrichtung (303), versorgt werden. Sowohl der Baubehälter (306), als auch die Materialbehälter (302), als auch verbrauchtes Pulvermaterial (In einem Behälter wie (302)) können von oben der Maschine zu- oder abgeführt werden. Die Verbrauchsmaterialien können während des laufenden Betriebs einer Maschine nachgefüllt werden.
In der gezeigten Ausführungsform sind alle Vorrichtungsteile, die Materialien transportieren, mit einer einheitlichen Schnittstelle (304) versehen. Diese Schnittstelle (304) kann gegebenenfalls auch über Zwischenwerkzeuge abgebildet werden.
In der 4a) und 4b) ist dargestellt, dass die Schnittstelle (304) durch ein Handhabungsgerät (400) kontaktiert kann werden, und dadurch der jeweilige Behälter (302, eingeschlossen der Baubehälter (306)) am Handhabungsgerät (400) fixiert werden. Das Handhabungsgerät (400) führt dann Verfahrbewegungen in mindestens zwei Raumrichtungen aus. Die erste Bewegung dient der Entfernung des Behälters aus dem Bereich der Produktionsmaschine (300) oder einem anderen mit dem Produktionsprozess in Verbindung stehenden Gerät. Die zweite Bewegung dient der Positionierung relativ zu verschiedenen Positionen.
Die Versorgungseinrichtung ist im Kern ein Schienensystem (203), auf dem eine Laufkatze (401) in Längsrichtung der Versorgungseinrichtung bewegt werden kann. Das Schienensystem kann beispielsweise an das Säulensystem (402) einer Maschinehalle angebunden werden. Ebenso können nachträglich montierbare Füße (403) das Schienensystem tragen.
Auf der Laufkatze ist ein Linearmodul (404) angebracht, das es ermöglicht, die Schnittstelle (304) des Versorgungssystems auf und ab zu bewegen. Als vereinfachte Variante ist auch ein Kranseil mit Haken verwendbar.
In 5 ist eine Schnittstelle (304, 500) nach einer bevorzugte Ausführungsform genauer dargestellt. Die Schnittstelle (500) ist beispielsweise am unteren Ende des Linearmoduls angebracht. Sie kann beispielsweise pneumatisch geöffnet oder geschlossen werden. Die Form des Verbindungswerkzeugs (501) kann Bolzen (502) und Haken (503) oder Klinken (511) umfassen. Zusätzlich können an der Schnittstelle Schutzvorrichtungen gegen Verschmutzungen angebracht sein. Ebenso hilfreich sind Reinigungsvorrichtungen für die Gegenaufnahme. Hier kann zum Beispiel ein schaltbarer Druckluftstrahl eingesetzt werden.
Die Versorgungseinrichtung ist beispielsweise oberhalb der Maschine angebracht. Alle zu befördernden Behälter und Werkzeuge liegen dabei vorzugsweise in einer Reihe. Liegen die Greiferpunkte der Schnittstelle außermittig oder haben ein abweichendes „Bohrbild”, wird ein Zwischenwerkzeug (600) nach 6 verwendet.
Mehrere Stationen von Versorgungseinrichtungen sowie vom Entladen und Beladen der Vorrichtung 300 sind in 8 dargestellt. Solche Positionen beinhalten beispielsweise die Ladeposition des Baubehälters (805) in die Maschine (300), Positionen, um Betriebsmittel in die Maschine zu laden (806, 812), gleichbedeutende Positionen in einem Maschinenverbund, Positionen anderer Anlagenteile wie Entpackstationen (824), Neumaterialladestationen (806) oder Werkzeugstationen (807).
Wie der 8 zu entnehmen ist, eignet sich eine Vorrichtung nach der gezeigten bevorzugten Ausgestaltung besonders dafür, Maschinen im Verband zu betreiben. Dabei ist ein Versorgungssystem in der Lage, mehrere Maschinen zu beschicken. Die Materialzu- und abfuhr kann in einer Linienanordnung realisiert werden, ebenso ist aber eine Kreisanordnung möglich.
Beispielsweise kann auf der linken Seite (gemäß der 8 oben) einer solchen Vorrichtung eine Aufnahmestation für Verbrauchsmaterial (802, 803) vorhanden sein. Hier laufen die jeweils passenden Behälter auf einem Förderband (820) in den Bereich des Zugriffs der Versorgungseinrichtung. Die verschiedenen Materialien können über unterschiedlich hohe Förderbänder bereitgestellt werden.
Neben der Aufnahmestation für Behälter können weitere Stationen angeordnet werden. Eine Werkzeugstation (807) kann verschiedene Vorrichtungen tragen, die nicht den Teilen Behälter oder Baubehälter zuzuordnen sind. Ein Beispiel wären automatische Einrichtungen zur Baufeldreinigung (700) mit Sauger (701) und Bürsten (702) in der Produktionsmaschine (300), wie in 7 näher dargestellt.
Ein Bereich kann Einrichtungen zur Entsorgung (808) aufweisen. Bei pulverbasierten Prozessen kann verbrauchtes Partikelmaterial anfallen.
Hier könnte ein Abfallbehälter (809) bereit gestellt sein. Der jeweilige Sammelbehälter aus der Produktionsmaschine wird hier über das Öffnen einer Klappe entleert. Die Versorgungseinrichtung stellt über eine steckbare Verbindung (508) die hierfür notwendige Energie und das Signal zur Verfügung.
Ähnlich kann ein Bereich zur Entsorgung flüssiger Abfälle ausgeführt werden. Es ist aber auch möglich, den Behälter hier einfach abzustellen und bei kritischen Chemikalien eine fachgerechte Entsorgung von Hand durchzuführen.
Ein weiterer Bereich könnte eine Übernahmestelle (824) für produzierte Bauteile sein. Hier sind verschiedene Ausbaustufen denkbar. Die Bauteile können als Block vollautomatisch aus dem Baubehälter entfernt werden. Dazu kann im Baubehälter oder auf der Bauplattform eine bewegliche Aufnahmeplattform (821) vorhanden sein. Diese kann über einfache Manipulatoren (822) aus dem Baubehälter entfernt werden. Im Anschluss kann beispielsweise der Baubehälter mit einem Werkzeug gereinigt werden. Nach der Prozedur wird der Behälter in ein Behälterlager oder in eine Produktionsmaschine durch die Versorgungseinrichtung befördert.
Um die Reaktionszeit der Versorgungseinrichtung zu steigern, können mehrere Laufkatzen mit Linearmodulen im Einsatz sein. Die Steuerung muss dann die sinnvolle Koordination der Einheiten übernehmen.
Bezugszeichenliste

100: Druckkopf
101: Pulverbeschichter
102: Bauplattform
103: Produziertes Bauteil
104: Baubehälter
200: Silo
201: Förderschnecken
202: Binderkanister
203: Schienensystem
204: Transportwagen
300: Produktionsmaschine
302: Behälter (Verallgemeinerter Behälter)
303: Raumrichtung
304: Schnittstelle
306: Baubehälter
307: Öffnungen
400: Handhabungsgerät
401: Laufkatze
402: Säule
403: Standfuß
404: Linearmodul
405: Energieversorgung
500: Schnittstelle
501: Verbindungswerkzeug
502: Bolzen
503: Haken
504: Reibschlüssiges Element
505: Klinke
506: Schutz gegen Verschmutzung
507: Reinigungsvorrichtung
508: Zusatzfunktionsstecker
509: Führungsbohrung
510: Zylinder
511: Klinke
600: Adapterplatte
700: Werkzeug zur Baufeldreinigung der Produktionsmaschine
701: Sauger
703: Bürsten
802: Aufnahmestation für Verbrauchsmaterial
803: Aufnahmestation für Verbrauchsmaterial
805: Übernahmestelle für Bauteile/Werkzeuge
806: Einfüllstelle Pulververbrauchsmaterial
807: Werkzeugstation
808: Entsorgungsstation
809: Abfallbehälter
810: Schienensystem
811: Entnahmestelle für Querfeed-Pulver
812: Einfüllstelle Fluidverbrauchsmaterial
820: Förderband
821: Aufnahmeplattform
822: Manipulator
823: Entpackte Pulverkuchen
824: Entpackposition

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0431924 B1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Formteile durch ein Schichtbauverfahren auf einem Baufeld in einem Bauraum einer Vorrichtung, wobei Materialien dem Bauraum zu- und abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zu- und Abführen aller Materialien in einer Raumrichtung der Vorrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumrichtung in Richtung einer Aufbaurichtung vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zu- und Abführen der Materialien über eine Schnittstelle an der Vorrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Handhabungsgerät zum Zu- und Abführen der Materialien mit der Vorrichtung in Eingriff gebracht werden kann.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Handhabungsgerät Materialien aus der Vorrichtung weiteren Bearbeitungsstationen zuführt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vorrichtungen und/oder Bearbeitungsstationen im Verband betrieben werden, wobei ein Versorgungssystem mehrere Vorrichtungen und/oder Bearbeitungsstationen beschickt, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass das Zu- und Abführen der Materialen der mehreren Vorrichtungen in einer Linienanordnung oder einer Kreisanordnung realisiert ist.
Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Formteile auf einem Baufeld in einem Bauraum, wobei Materialien dem Baufeld zu- und abgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass alle Versorgungseinrichtungen derart an der Vorrichtung vorgesehen sind, dass ein Zu- und Abführen der Materialien aus einer Raumrichtung erfolgen kann, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass die Raumrichtung in Richtung einer Aufbaurichtung vorgesehen ist, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass an der Vorrichtung in Raumrichtung eine oder mehrere definierte Schnittstellen für eine Aufnahme der Versorgungseinrichtungen vorgesehen sind, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass eine Bauplattform und/oder ein Baubehälter in der Vorrichtung vorgesehen sind, die über die Schnittstelle ein- und ausführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Handhabungsgerät vorgesehen ist, das mit der Vorrichtung in Eingriff gebracht werden kann und dadurch Materialien zu- und/oder abgeführt werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vorrichtungen vorgesehen sind, die im Verband betrieben werden und ein Versorgungssystem vorgesehen ist, das mehrere Vorrichtungen beschickt, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtungen derart angeordnet sind, dass ein Zu- und Abführen der Materialien in einer Linienanordnung oder einer Kreisanordnung möglich ist.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9 bei Fused-Deposition-Modeling-Verfahren, Stereolithographie, Lasersintern, Laserschmelzen, Multijet- oder Polyjet-Modeling, High-Speed-Sintering, Mulitjet-Fusion-Verfahren und/oder Binder-Jetting.