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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Schmelzschichten von Werkstücken.
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Als Schmelzschichten oder Schmelzschichtung bezeichnete Verfahren sind Fertigungsverfahren aus dem Bereich des Rapid-Prototyping, wobei ein Werkstück schichtweise in der Regel aus einem schmelzfähigen Kunststoff aufgebaut wird. Solche Verfahren werden auch als Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet. Es hat sich herausgestellt, dass mittels solcher Verfahren und Vorrichtungen auch Metallpulver-Grünlinge hergestellt werden können, wobei ein Werkstück schichtweise aus einem als Feedstock bezeichneten Material aufgebaut wird. Der Feedstock weist wenigstens ein Metallpulver und wenigstens ein Bindermaterial in Form von wenigstens einem Kunststoff auf. Dabei können Grünlinge gebildet werden, wie sie aus dem technischen Gebiet des Metallpulverspritzguss bekannt sind, die anschließend in für sich genommen üblicherweise Weise entbindert und gesintert werden können. Nachteilig an Vorrichtungen und Verfahren zum Schmelzschichten ist, dass aufgrund des Druckens von Strängen, Filamenten oder auch Tröpfchen eine Oberfläche mit geringer Güte an dem entstehenden Werkstück gebildet wird, wobei diese Oberfläche insbesondere eine hohe Rauheit aufweist. Insbesondere ist es möglich, dass Vertiefungen zwischen den einzelnen gedruckten Filamenten sichtbar bleiben. Es ist grundsätzlich möglich, die Oberfläche eines schmelzgeschichteten Werkstücks nachzubearbeiten, um diese zu glätten. Dies ist aber insbesondere von der Handhabung her aufwändig und erhöht die Taktzeiten solcher Verfahren beträchtlich. Im Fall von Metallpulvergrünlingen ist noch deren inhärente Instabilität zu bedenken, die eine nachträgliche Oberflächenbearbeitung als schwierig erscheinen lässt. Das Drucken einer Mehrzahl von Filamenten aufeinander führt zudem zu einer verbesserungsfähigen Kompaktierung des Materials eines derart gebildeten Werkstücks, insbesondere im Vergleich zu einem spritzgegossenen Werkstück, welches aufgrund des beim Spritzgießen herrschenden Drucks höher kompaktiert sein kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schmelzschichten von Werkstücken zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem eine Vorrichtung zum Schmelzschichten von Werkstücken geschaffen wird, welche wenigstens einen Druckkopf aufweist, der eingerichtet ist, um ein Werkstück Schicht für Schicht aus wenigstens einem Material aufzubauen, welches mittels des Druckkopfs ausbringbar ist. Der Druckkopf ist also insbesondere eingerichtet zum Ausbringen des wenigstens einen Materials und zum Aufbauen des Werkstücks durch das Ausbringen des wenigstens einen Materials. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass dem Druckkopf wenigstens eine Wärmequelle zugeordnet ist, die so ausgebildet ist, dass von dem Druckkopf ausgebrachtes Material mittels von der Wärmequelle erzeugter Wärme, insbesondere durch von der Wärmequelle ausgehende Wärme, zumindest teilweise oberflächlich anschmelzbar ist. Die Vorrichtung weist Vorteile im Vergleich zum Stand der Technik auf. Insbesondere ist es mittels der Wärmequelle möglich, das ausgebrachte Material, aus welchem das Werkstück Schicht für Schicht aufgebaut wird, zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise oberflächlich anzuschmelzen und so eine Oberfläche des entstehenden oder gebildeten Werkstücks zu glätten. Dadurch kann die Oberflächenrauheit des entstehenden oder entstandenen Werkstücks deutlich herabgesetzt werden. Insbesondere ist es möglich, die durch das Drucken einzelner Filamente oder Tröpfchen entstandene Struktur, insbesondere die zwischen den Filamenten oder Tröpfchen ausgebildeten Vertiefungen, zu glätten oder einzuebnen, sodass insgesamt eine homogene, glatte Oberfläche gebildet wird. Die Wärmequelle kann aber auch genutzt werden, um die Oberfläche des Werkstücks zu strukturieren, also der Werkstückoberfläche mittels des lokalen Anschmelzens eine Struktur zu verleihen. Die Oberflächenstruktur des Werkstücks wird also nicht mehr zwingend durch das Druckverfahren bestimmt, sondern kann vielmehr durch die Wärmebehandlung mittels der Wärmequelle modifiziert werden. Dadurch, dass die Wärmequelle dem Druckkopf zugeordnet ist, ist es möglich, sie bereits während des Schmelzschichtens einzusetzen, wodurch sich insbesondere Taktzeitvorteile ergeben. Aber auch dann, wenn die Wärmequelle erst nach Abschluss des Schmelzschichtens verwendet wird, ergeben sich noch Taktzeitvorteile deswegen, weil das Nachbearbeiten des Werkstücks in der gleichen Vorrichtung erfolgen kann wie das Schmelzschichten.
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Die Wärmequelle ist insbesondere eingerichtet zum Wärmepolieren und/oder Wärmestrukturieren des Werkstücks. Insbesondere ist die Wärmequelle eingerichtet zum Schmelzpolieren und/oder Schmelzstrukturieren des Werkstücks.
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Die Wärmequelle kann während des schichtweisen Aufbauens des Werkstücks genutzt werden, um einzelne Schichten oder Bereiche einzelner Schichten oberflächlich anzuschmelzen, was insbesondere zu einer erhöhten Kompaktierung des Werkstücks führt. Es können so höhere Kompaktierungsgrade erreicht werden, als üblicherweise beim Schmelzschichten.
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Unter einer Vorrichtung zum Schmelzschichten ist insbesondere eine Vorrichtung zu verstehen, die eingerichtet ist zur Durchführung eines Fertigungsverfahrens aus dem Bereich des Rapid-Prototyping, welches auch als Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet wird. Die Vorrichtung ist bevorzugt als 3D-Drucker ausgebildet.
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Unter „Schmelzschichten“ wird auch eine Variante des Rapid-Prototypings oder des 3D-Druckens verstanden, bei welchem anstelle von Filamenten oder Strängen Schmelztröpfchen erzeugt und punktweise aufgebracht, gelegt oder gedruckt werden. Dies wird auch als „Tröpfchenschichtung“ bezeichnet. Auch in diesem Fall entstehen Oberflächen mit relativ großer Rauheit, die mit der hier vorgeschlagenen Wärmequelle in vorteilhafter Weise nachbearbeitet werden können.
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Unter einer Wärmequelle wird insbesondere eine Einrichtung verstanden, die eingerichtet und bestimmungsgemäß dazu vorgesehen ist, Wärme zu emittieren oder zu erzeugen, um einen Gegenstand, hier das entstehende oder entstandene Werkstück zu erwärmen. Die Wärmequelle ist bevorzugt insbesondere so relativ zu dem entstehenden Werkstück ausgerichtet, dass sie dieses – während oder auch nach dem schichtweisen Aufbauen – zumindest teilweise oberflächlich anschmelzen kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Druckkopf die Wärmequelle aufweist, wobei die Wärmequelle bevorzugt integral mit dem Druckkopf ausgebildet ist. Besonders bevorzugt bilden ein Druckauslass des Druckkopfs, der zum Ausbringen des wenigstens einen Materials vorgesehen ist, und die Wärmequelle eine bauliche Einheit, sie sind also integral miteinander ausgebildet. Der Druckkopf weist also insbesondere eine integrierte Wärmequelle auf.
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Dadurch, dass der Druckkopf die Wärmequelle aufweist, ist die Handhabung des entstehenden oder entstandenen Werkstücks bei dessen oberflächlicher Behandlung deutlich verbessert. Auch Taktzeiten in Zusammenhang mit der Oberflächenbehandlung des Werkstücks können deutlich reduziert werden, insbesondere da die oberflächliche Behandlung direkt während des Schmelzschichtens des Werkstücks oder unmittelbar im Anschluss an das Schmelzschichten innerhalb der Vorrichtung durchgeführt werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Halteeinrichtung aufweist, die eingerichtet ist zum Halten eines entstehenden Werkstücks. Die Halteeinrichtung kann beispielsweise als feststehender oder entlang zumindest einer Richtung verlagerbarer Tisch, als Greifer oder Halter, beispielsweise an einer Roboterhand, oder in anderer geeigneter Weise ausgebildet sein. In diesem Fall weist also die Vorrichtung selbst die Halteeinrichtung auf. Alternativ ist es allerdings auch möglich, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, um ein Werkstück auf oder an einer extern zu der Vorrichtung vorgesehenen Halteeinrichtung aufzubauen.
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Weist die Vorrichtung eine Halteeinrichtung auf, ist der Druckkopf bevorzugt eingerichtet zum Aufbringen des wenigstens einen Materials auf die Halteeinrichtung. Dabei wird unter einem Aufbringen auf die Halteeinrichtung auch ein Anbringen an die Halteeinrichtung verstanden, je nachdem wie die Halteeinrichtung und der Druckkopf relativ zueinander orientiert sind. Es ist insbesondere möglich, dass mittels des Druckkopfs eine erste Schicht des wenigstens einen Materials unmittelbar auf die Halteeinrichtung aufgebracht wird, wobei nachfolgende Schichten auf das bereits ausgebrachte Material und somit auf das entstehende Werkstück aufgebracht werden. Allerdings werden auch diese Schichten dann mittelbar auf die Halteeinrichtung aufgebracht.
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Die Halteeinrichtung und der wenigstens eine Druckkopf sind so relativ zueinander verlagerbar, dass das Werkstück schichtweise auf der Halteeinrichtung durch den wenigstens einen Druckkopf aufbaubar ist. Dies schließt ein, dass das Werkstück schichtweise an der Halteeinrichtung durch den wenigstens einen Druckkopf aufbaubar ist. Bevorzugt ist eine Relativverlagerung der Halteeinrichtung und des Druckkopfs entlang von wenigstens drei Richtungen, insbesondere entlang von wenigstens drei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen, möglich. Dabei ist es insbesondere möglich, dass die Halteeinrichtung lediglich in eine erste Richtung verlagerbar ist, wobei insbesondere ein Abstand zwischen der Halteeinrichtung und dem Druckkopf durch Verlagern der Halteeinrichtung variierbar ist, wobei der Druckkopf entlang von zwei senkrecht aufeinander und senkrecht auf der ersten Richtung stehenden, zweiten und dritten Richtungen verlagerbar ist, insbesondere in einer Ebene, senkrecht zu der die Halteeinrichtung verlagerbar ist. Auf diese Weise können mit dem Druckkopf Schichten auf der stillstehenden Halteeinrichtung gedruckt werden, wobei diese verlagert werden kann, um eine nächste Schicht drucken zu können. Es ist aber auch möglich, dass die Halteeinrichtung entlang von zwei Richtungen in einer Ebene verlagerbar ist, wobei der Druckkopf in einer Richtung, die senkrecht auf der Verlagerungsebene der Halteeinrichtung steht, verlagerbar ist. Weiterhin ist es möglich, dass ausschließlich die Halteeinrichtung – insbesondere in drei Richtungen – verlagerbar ist, während der Druckkopf raumfest angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass nur der Druckkopf – vorzugsweise entlang von drei Richtungen – verlagerbar ist, während die Halteeinrichtung raumfest angeordnet ist.
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Es ist auch möglich, dass die Relativverlagerung zwischen der Halteeinrichtung und dem Druckkopf entlang von mehr als drei Richtungen möglich ist, wobei die Vorrichtung bevorzugt eine Mehrachskinematik für die Halteeinrichtung und/oder den Druckkopf aufweist. Insbesondere ist es möglich, dass die Halteeinrichtung an einem Mehrachs-Roboter, insbesondere einem Fünfachs-Roboter, angeordnet und relativ zu dem feststehenden Druckkopf verlagerbar ist. Dabei können eine Verlagerung der Halteeinrichtung in alle drei Raumrichtungen und zugleich Dreh- oder Schwenkbewegungen realisiert werden, was nicht nur einen sehr flexiblen Aufbau eines Werkstücks, sondern auch eine sehr flexible Behandlung des Werkstücks mit der Wärmequelle ermöglicht. Zusätzlich oder alternativ ist es möglich, dass der Druckkopf – insbesondere gemeinsam mit der Wärmequelle – an einem Mehrachs-Roboter verlagerbar angeordnet ist.
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Weist die Vorrichtung eine Halteeinrichtung auf, ist die Wärmequelle bevorzugt relativ zu der Halteeinrichtung so ausgerichtet, dass von dem Druckkopf auf die Halteeinrichtung aufgebrachtes Material mittels von der Wärmequelle erzeugter Wärme zumindest teilweise oberflächlich anschmelzbar ist.
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Mit „von der Wärmequelle erzeugter oder ausgehender Wärme“ ist hier gemeint, dass von dem entstehenden oder entstandenen Werkstück absorbierte oder in dem entstehenden oder entstandenen Werkstück entstehende Wärme ursächlich von der Wärmequelle bereitgestellt wird, insbesondere in Form von Energie, die als thermische Energie vorliegen kann, aber nicht notwendig bereits in der Wärmequelle als thermische Energie vorliegen muss. Vielmehr kann die Wärmequelle auch andere Energieformen, beispielsweise elektromagnetische Strahlung, eine Teilchenstrahlung oder dergleichen emittieren, wobei dann durch Wechselwirkung mit einer solchen Energieform in dem entstehenden oder entstandenen Werkstück Wärme gebildet wird. Wichtig ist insoweit nur, dass die Wärme, mittels der das entstehende oder entstandene Werkstück zumindest teilweise oberflächlich angeschmolzen wird, ursächlich von der Wärmequelle stammt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmequelle unabhängig von einer Druckfunktion des Druckkopfs an- und abschaltbar ist. Auf diese Weise kann zu jeder Zeit des schichtweisen Aufbaus des Werkstücks entschieden werden, ob die Wärmequelle angeschaltet oder abgeschaltet wird. Es ist also insbesondere möglich, die Wärmequelle permanent während des schichtweisen Aufbauens des Werkstücks angeschaltet zu halten und so Oberflächen des Werkstücks direkt bei deren Entstehung zu bearbeiten, was insbesondere zu einer hohen Kompaktierung des Werkstücks beitragen kann; es ist aber auch möglich, die Wärmequelle selektiv nur im Bereich bestimmter Oberflächen des Werkstücks anzuschalten und diese bestimmten Oberflächen mit der von der Wärmequelle ausgehenden Wärme zu beaufschlagen. In anderen Bereichen des entstehenden oder entstandenen Werkstücks kann dagegen die Wärmequelle abgeschaltet bleiben. Insbesondere ist es auch möglich, das Werkstück zunächst – bei abgeschalteter Wärmequelle – komplett aufzubauen und nachträglich die Wärmequelle anzuschalten, um dann insbesondere eine äußere Oberfläche des Werkstücks mittels der Wärmequelle zumindest teilweise oberflächlich anzuschmelzen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmequelle als elektromagnetische Strahlungsquelle, insbesondere als Laserstrahlquelle und/oder als Infrarotstrahlungsquelle, als induktive Wärmequelle, als Teilchenstrahlquelle, oder als Kombination von wenigstens zwei der vorgenannten Wärmequellen ausgebildet ist. Als „Quelle“ wird dabei insbesondere ein Ausgangspunkt für ein physikalisches Phänomen verstanden, nicht jedoch zwingend der Ort von dessen Entstehung. Es ist also nicht unbedingt erforderlich, dass die Wärmequelle, wenn sie beispielsweise als Laserstrahlquelle ausgebildet ist, selbst einen Laser aufweist. Dieser kann vielmehr außerhalb der Vorrichtung und/oder außerhalb des Druckkopfs angeordnet sein, wobei eine Faser- oder Spiegeloptik vorgesehen ist, um Laserstrahlung an einen Austritts- oder Emissionsort im Bereich des Druckkopfs, mithin zu der Wärmequelle, zu führen. Dem Druckkopf kann also insbesondere als Wärmequelle eine Faser- oder Spiegeloptik zur Emission eines Laserstrahls zugeordnet sein. Analoge Überlegungen gelten auch für andere physikalische Phänomene und insbesondere Strahlungsformen. Die Wärmequelle kann aber auch selbst als Ort der Entstehung des physikalischen Phänomens ausgebildet sein. Insbesondere ist es möglich, dass dem Druckkopf ein Laser zugeordnet ist, wobei der Druckkopf bevorzugt den Laser aufweist oder integral mit dem Laser ausgebildet ist.
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Eine Ausgestaltung der Wärmequelle als Laserstrahlquelle ist besonders bevorzugt, da dies eine zugleich kostengünstige, einfache und für die Oberflächenglättung und/oder -strukturierung des entstandenen oder entstehenden Werkstücks sehr geeignete Ausgestaltung darstellt. Dabei bedarf es keiner besonders hohen Laserleistung, vielmehr sind Leistungen im Bereich von weniger als oder höchstens 100 W ausreichend.
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Ist die Wärmequelle als Infrarotstrahlungsquelle ausgebildet, kann sie beispielsweise einen Heizstrahler aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass die Wärmequelle einen Infrarotlaserstrahl emittiert und somit zugleich als Laserstrahlquelle und als Infrarotstrahlungsquelle ausgebildet ist.
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Ist die Wärmequelle als Laserstrahlquelle ausgebildet, ist sie vorzugsweise eingerichtet zum Laserpolieren und/oder Laserstrukturieren des entstehenden oder entstandenen Werkstücks.
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Ist die Wärmequelle als induktive Wärmequelle ausgebildet, weist sie vorzugsweise einen Induktor auf, mit welchem das wenigstens eine Material des entstehenden oder entstandenen Werkstücks induktiv erwärmbar ist.
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Ist die Wärmequelle als Teilchenstrahlquelle ausgebildet, ist sie vorzugsweise eingerichtet, um geladene oder ungeladene, gegebenenfalls elektronisch, vibratorisch und/oder rotatorisch angeregte Teilchen, insbesondere Atome, Moleküle, Atomionen, Molekülionen, Elektronen, oder andere geladene oder ungeladene Teilchen zu emittieren. Wärme entsteht dann in dem Werkstück insbesondere durch Umwandlung der kinetischen Energie der auftreffenden Teilchen in thermische Energie.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmequelle einem Druckauslass des Druckers für das aufzubringende Material – in Druckrichtung gesehen – vorlaufend oder nachlaufend angeordnet ist. Dabei ist eine Druckrichtung insbesondere eine Richtung, in welcher eine Relativverlagerung zwischen dem Druckkopf und dem entstehenden Werkstück und/oder der Halteeinrichtung bewirkt wird. Ist die Wärmequelle an dem Druckkopf so angeordnet, dass sie dem Druckauslass nachläuft, ist es möglich, mittels der Wärmequelle stets die gerade unmittelbar von dem Druckkopf aufgebrachte Materialschicht zumindest teilweise oberflächlich anzuschmelzen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass unmittelbar mit dem Aufbringen einer letzten Schicht auch deren oberflächliche Bearbeitung erfolgen kann, sodass es keiner weiteren Nachbehandlung nach Abschluss des Druckvorgangs mehr bedarf. Ist dagegen die Wärmequelle dem Druckauslass vorlaufend an dem Druckkopf angeordnet, ist es zum einen möglich, mittels der Wärmequelle eine vor der aktuell gerade im Druck befindlichen Schicht gedruckte Schicht zu beaufschlagen, was insbesondere Vorteile in Hinblick auf eine Kompaktierung des Werkstücks haben kann, weil dann sich die zumindest teilweise oberflächlich angeschmolzene, unten liegende Schicht mit der unmittelbar danach hierauf gedruckten, momentan im Druck befindlichen Schicht besonders gut verbinden kann. Eine äußere Oberfläche des Werkstücks kann dann nach Beenden des Druckvorgangs mit der Wärmequelle bearbeitet werden. Dabei ist es insbesondere dann, wenn die Vorrichtung eine Mehrachskinematik aufweist, möglich, dem Druckkopf und damit der Wärmequelle das entstandene Werkstück von mehreren, insbesondere von allen Seiten, zu präsentieren und so alle äußeren Oberflächen des Werkstücks mit der Wärmequelle zu beaufschlagen.
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Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, dass die Wärmequelle seitlich von dem Druckauslass angeordnet ist, insbesondere derart, dass sich eine Wirkrichtung der Wärmequelle auf das Werkstück schräg oder senkrecht zu der Druckrichtung erstreckt. Die Wärmequelle wird dann bevorzugt mit dem Druckkopf seitlich entlang des entstehenden oder entstandenen Werkstücks geführt, und es ist insbesondere möglich, eine im Druck befindliche oder bereits gedruckte Wandung des Werkstücks seitlich mit der Wärmequelle zu beaufschlagen.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Wärmequelle relativ zu dem Druckauslass – vorzugsweise an dem Druckkopf – verlagerbar ist. Insbesondere ist die Wärmequelle bevorzugt verlagerbar an dem Druckkopf gehalten. Der Wärmequelle ist vorzugsweise eine eigene Verlagerungsmimik zugeordnet, mit welcher diese insbesondere unabhängig von der Relativverlagerung zwischen dem Druckkopf und dem Werkstück und/oder der Halteeinrichtung verlagert werden kann. Es ist so möglich, insbesondere bedarfsabhängig verschiedene Bereiche des Werkstücks – relativ zu dem Druckauslass gesehen – mittels der Wärmequelle zu bearbeiten. Beispielsweise ist es möglich, die Wärmequelle so relativ zu dem Druckauslass zu verschwenken, dass diese in einer ersten Schwenkposition dem Druckauslass vorlaufend, in einer zweiten Schwenkposition dem Druckauslass nachlaufend und/oder in einer dritten Schwenkposition seitlich zu dem Druckauslass angeordnet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eingerichtet ist zum Schmelzschichten von Metallpulver-Grünlingen als Werkstücke. Dies bedeutet zum einen, dass der Druckkopf eingerichtet ist zum Drucken eines Feedstocks zur Herstellung eines Metallpulver-Grünlings; zum anderen ist die Wärmequelle eingerichtet, um eine Metallpulver-Grünling-Oberfläche zumindest teilweise anzuschmelzen.
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Dies bedeutet insbesondere, dass die Wärmequelle eingerichtet ist, um das Bindermaterial, insbesondere also einen von dem Feedstock umfassten Kunststoff, anzuschmelzen, während das Metallpulver nicht geschmolzen wird. Dies kann beispielsweise gewährleistet werden, indem eine Wellenlänge der von der Wärmequelle emittierten Strahlung und/oder eine abgegebene Wärmeleistung so gewählt wird/werden, dass lediglich zumindest ein Bestandteil des Bindermaterials geschmolzen oder angeschmolzen wird, wobei dieser Teil des Bindermaterials direkt erwärmt werden kann. Es ist aber auch möglich, das Bindermaterial indirekt zu erwärmen, beispielsweise indem metallische Partikel des Metallpulvers derart erwärmt werden, dass sie das Bindermaterial zumindest teilweise zum Schmelzen bringen, wobei sie jedoch nicht selbst schmelzen. Dieser Mechanismus kann beispielsweise durch induktive Erwärmung des Metallpulvers erfolgen, insbesondere wenn das Metallpulver für die induktive Erwärmung geeignete magnetische Eigenschaften aufweist. Es ist aber auch möglich, dass wenigstens eine Komponente des Bindermaterials induktiv erwärmbare Partikel aufweist, beispielsweise Nanopartikel, und so direkt induktiv erwärmt werden kann.
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Die Vorrichtung kann aber ebenso eingerichtet sein zum Schmelzschichten von Werkstücken aus wenigstens einem Kunststoff – insbesondere ohne Metallpulveranteil, also insbesondere als reines Kunststoff-Werkstück. Auch in Zusammenhang mit Kunststoff als dem wenigstens einen Material ergeben sich insbesondere die hier beschriebenen Vorteile.
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Der Effekt einer Oberflächenglättung mittels der Wärmequelle basiert vorzugsweise im Wesentlichen auf der Oberflächenspannung des zumindest teilweise geschmolzenen oder angeschmolzenen Materials. Diese Oberflächenspannung bewirkt ein Glätten der Oberfläche, indem diese quasi glattgezogen und damit minimiert wird.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Schmelzschichten von Werkstücken mit folgenden Schritten geschaffen wird: Ein Werkstück wird schichtweise auf einer Halteeinrichtung aufgebaut. Dies schließt bevorzugt ein, dass das Werkstück schichtweise an einer Halteeinrichtung aufgebaut wird. Dabei wird wenigstens ein Material mittels eines Druckkopfs auf die Halteeinrichtung aufgebracht, wobei eine Relativverlagerung zwischen dem Druckkopf und der Halteeinrichtung bewirkt wird. Dabei wird zugleich eine Relativverlagerung zwischen einer dem Druckkopf zugeordneten Wärmequelle und der Halteeinrichtung bewirkt. Das von dem Druckkopf auf die Halteeinrichtung aufgebrachte Material wird zumindest teilweise oberflächlich mittels der Wärmequelle angeschmolzen. In Zusammenhang mit dem Verfahren verwirklichen sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit der Vorrichtung erläutert wurden. Dabei ergibt sich insbesondere eine Taktzeitverkürzung für eine Oberflächenbearbeitung des entstehenden oder entstandenen Werkstücks daraus, dass die Wärmequelle dem Druckkopf zugeordnet und dadurch insbesondere gemeinsam mit diesem relativ zu der Halteeinrichtung verlagerbar ist, und/oder dass die Halteeinrichtung zugleich relativ zu dem Druckkopf und relativ zu der Wärmequelle verlagert wird.
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Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens eine Vorrichtung nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendet.
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Es ist möglich, dass die Wärmequelle lagefest relativ zu dem Druckkopf angeordnet ist. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Wärmequelle relativ zu einem Druckauslass des Druckkopfs verlagerbar ist, wobei sie insbesondere relativ zu dem Druckauslass verlagerbar an dem Druckkopf angeordnet sein kann. Die Wärmequelle kann insbesondere mittels einer eigens hierfür vorgesehenen Verlagerungsmimik relativ zu dem Druckauslass verlagerbar sein, wobei die Verlagerungsmimik unabhängig von einer die Relativverlagerung zwischen der Halteeinrichtung und dem Druckkopf bewirkenden Verlagerungsmimik vorgesehen und ansteuerbar ist. Bevorzugt ist die Wärmequelle an dem Druckkopf angeordnet, besonders bevorzugt integral mit dem Druckkopf ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Werkstück ein Metallpulver-Grünling aufgebaut wird. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des Verfahrens, insbesondere weil die im Vergleich zu einem durch Metallpulverspritzgießen hergestellten Grünling raue Oberfläche mithilfe der Wärmequelle schnell, prozesssicher und kostengünstig geglättet und/oder strukturiert werden kann. Auf diese Weise können insbesondere die Vorteile des Schmelzschichtens und die Vorteile des Metallpulverspritzgießens miteinander kombiniert werden. Mithilfe des Verfahrens ist es möglich, ähnlich glatte und – durch Anwenden der Wärmequelle direkt beim Aufbringen des Materials auch im Volumen des Werkstücks – auch ähnlich kompakte Werkstücke herzustellen wie beim Metallpulverspritzgießen. Zugleich ist beim Schmelzschichten eine größere Zahl möglicher Formen für das Werkstück darstellbar, wobei insbesondere hinterschnittige Formen ohne weiteres möglich sind, da die Notwendigkeit einer Entformung des Grünlings entfällt.
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Der im Rahmen des Verfahrens hergestellte Metallpulver-Grünling wird bevorzugt in für sich genommen bekannter Weise entbindert und gesintert, wobei im Ergebnis ein metallisches Werkstück analog zu einem Metallpulverspritzgussverfahren erhalten wird.
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Bevorzugt wird ein Metallpulver-Grünling aus wenigstens einem hartmagnetischen Material aufgebaut. Auf diese Weise ist es möglich, mittels des Verfahrens Permanentmagnete mit quasi beliebiger Form bei zugleich guter Kompaktierung und guten sowie definierten Oberflächeneigenschaften herzustellen.
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Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei welcher ein Werkstück aus wenigstens einem Kunststoff – insbesondere ohne Metallpulver – durch Schmelzschichten aufgebaut wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Oberfläche des Werkstücks mittels der Wärmequelle geglättet, poliert und/oder strukturiert wird. Besonders bevorzugt wird dabei eine Wärmequelle verwendet, die eine Laserstrahlquelle aufweist oder als Laserstrahlquelle ausgebildet ist, wobei die wenigstens eine Oberfläche des Werkstücks mittels der Wärmequelle laserpoliert und/oder laserstrukturiert wird.
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Da das Material des Werkstücks mit der Wärmequelle lokal zumindest teilweise aufgeschmolzen oder umgeschmolzen wird, hat die Bearbeitung des Werkstücks mit der Wärmequelle auch einen heilenden Effekt zumindest auf kleinere Druckfehler, die beim Drucken des Werkstücks entstehen können. Insgesamt kann so durch den Einsatz der Wärmequelle die Qualität des entstehenden Werkstücks gesteigert werden. Weiterhin ist es möglich, wenigstens eine Oberfläche des Werkstücks zumindest bereichsweise definiert zu strukturieren, was insbesondere bei der Herstellung von Bio-Materialien oder Teilen für Schmuckanwendungen angewendet werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das Werkstück mittels der Wärmequelle in seinem Volumen kompaktiert wird. Dies spricht bevorzugt an, dass die Wärmequelle verwendet wird, um Bereiche im Inneren des Werkstücks beim Schmelzschichten auf- oder anzuschmelzen und so eine kompaktere Struktur des Werkstücks zu erreichen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmequelle nur zeitweise während des Aufbringens des wenigstens einen Materials und/oder nach dem Aufbringen des Materials eingeschaltet wird. Es ist dann möglich, die Wärmequelle gezielt lokal zur Bearbeitung des Werkstücks einzusetzen. Insbesondere ist es möglich, das Werkstück erst nach seiner Fertigstellung mittels der Wärmequelle zu bearbeiten.
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Alternativ ist es möglich, dass die Wärmequelle dauerhaft während des Aufbringens des Materials eingeschaltet ist. Insbesondere auf diese Weise ist es möglich, das Werkstück mit der Wärmequelle in seinem Volumen zu kompaktieren, indem jede einzelne Schichtoberfläche und insbesondere jeder einzelne Übergang zwischen einzelnen Schichten mit der Wärmequelle beaufschlagt und insbesondere durch die Wärmequelle geglättet wird. Zugleich kann so auch gewährleitet werden, dass die zuletzt gebildete, äußere Oberfläche des Werkstücks unmittelbar mit ihrer Herstellung auch durch die Wärmequelle bearbeitet wird, sodass es bevorzugt keiner weiteren Bearbeitung nach Beenden des Druckvorgangs mehr bedarf.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist schließlich vorgesehen, dass die Wärmequelle auf einen Bereich zwischen jeweils zwei Aufbringraupen des wenigstens einen Materials ausgerichtet gehalten wird. Auf diese Weise kann eine besonders effiziente Glättung und/oder Strukturierung der Oberfläche erfolgen. Aufbringraupen bezeichnen hier insbesondere Stränge, Filamente, aber auch Reihen von Tröpfchen, welche durch den Druckkopf aufgetragen werden, wobei zwischen einzelnen Aufbringraupen Vertiefungen verbleiben, welche wesentlich zu der Rauheit der entstehenden Oberfläche beitragen. Wird nun die Wärmequelle direkt auf einen solchen Bereich zwischen den Aufbringraupen ausgerichtet und entlang dieser Zwischenräume geführt, kann gerade durch das An- oder Aufschmelzen des Materials im Bereich dieser Zwischenräume eine sehr effiziente Glättung durch die Oberflächenspannung des auf- oder angeschmolzenen Materials erfolgen. Das Material wird dabei quasi in die Zwischenräume zwischen den Aufbringraupen hineingezogen, wodurch diese Zwischenräume gefüllt werden. Es ist insbesondere möglich, dass hierzu die Wärmequelle seitlich – senkrecht zur Druckrichtung gesehen – versetzt zu dem Druckauslass angeordnet ist, derart, dass sie stets auf einen Zwischenraum zwischen zwei Aufbringraupen ausgerichtet ist.
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Die Beschreibung der Vorrichtung einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale der Vorrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Vorrichtung erläutert wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal eines erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung bedingt ist. Die Vorrichtung zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer erfindungsgemäßen oder bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Schmelzschichten von Werkstücken, und
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Schmelzschichten von Werkstücken.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Schmelzschichten eines Werkstücks 3, wobei die Vorrichtung 1 einen Druckkopf 5 aufweist, der eingerichtet ist, um das Werkstück 3 Schicht für Schicht aus wenigstens einem mittels des Druckkopfs 5 ausbringbaren Material 7 aufzubauen. Dabei werden insbesondere mit dem Druckkopf 5 schichtweise Stränge oder Filamente 9 übereinander abgelegt. Es ist auch möglich, dass mittels des Druckkopfs 5 Tröpfchen des wenigstens einen Materials 7 neben- und übereinander abgelegt werden. Jedenfalls entsteht bei dieser Vorgehensweise eine Oberfläche mit vergleichsweise hoher Rauheit, was hier auf der rechten Seite des Werkstücks 3 in 1 insbesondere anhand von Vertiefungen oder Zwischenräumen zwischen den einzelnen Filamenten 9 erkennbar ist.
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Dem Druckkopf 5 ist eine Wärmequelle 11 zugeordnet, die so ausgebildet und relativ zu dem entstehenden Werkstück 3 ausgerichtet ist, dass von dem Druckkopf 5 aufgebrachtes Material 7 mittels von der Wärmequelle 11 erzeugter Wärme zumindest teilweise oberflächlich anschmelzbar ist. Somit kann – wie auf der linken Seite des Werkstücks 3 in 1 dargestellt – die Oberflächenrauheit des Werkstücks 3 deutlich reduziert und eine Oberfläche 15 des Werkstücks 3 geglättet werden. Es ist auch möglich, die behandelte Oberfläche 15 mittels der Wärmequelle 11 zu strukturieren. Insbesondere kann das Werkstück 3 mittels der Wärmequelle 11 wärmepoliert oder wärmestrukturiert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Wärmequelle 11 als Laserstrahlquelle ausgebildet, wobei der Druckkopf 5 insbesondere eine Faser- oder Spiegeloptik aufweisen kann. Insofern ist hier schematisch in 1 ein Laserstrahl 13 dargestellt, der von der Wärmequelle 11 ausgeht und auf die Oberfläche 15 des Werkstücks 3 trifft, wobei diese insbesondere laserpoliert und/oder laserstrukturiert wird. Die Vorrichtung 1 weist vorzugsweise eine Halteeinrichtung 17 auf, die hier lediglich schematisch angedeutet ist. Die Halteeinrichtung 17 ist eingerichtet zum Halten des entstehenden Werkstücks 3, wobei der Druckkopf 5 insbesondere eingerichtet ist, um das Material 7 auf die Halteeinrichtung 17 aufzubringen. Die Halteeinrichtung 17 und der Druckkopf 5 sind so relativ zueinander verlagerbar, dass das Werkstück 3 schichtweise auf der Halteeinrichtung 17 durch den Druckkopf 5 aufgebaut werden kann. Dabei ist es möglich, dass lediglich die Halteeinrichtung 17 verlagerbar ist, wobei der Druckkopf 5 selbst raumfest angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass lediglich der Druckkopf 5 verlagerbar gehalten ist, wobei die Halteeinrichtung 17 raumfest angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, dass sowohl der Druckkopf 5 als auch die Halteeinrichtung 17 verlagerbar gehalten sind, sodass beide Teile relativ zueinander verlagert werden können. Dabei kann die Vorrichtung 1 eingerichtet sein, um eine Relativverlagerung des Druckkopfs 5 und der Halteeinrichtung 17 relativ zueinander entlang von drei aufeinander senkrecht stehenden Raumrichtungen zu bewirken. Es ist aber auch möglich, dass die Vorrichtung 1 eine Mehrachskinematik – vorzugsweise für die Halteeinrichtung 17 – aufweist, wobei insbesondere die Halteeinrichtung 17 an einem Mehrachs-Roboter, insbesondere einem Fünfachs-Roboter angeordnet oder Teil eines solchen Roboters sein kann.
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Die Wärmequelle 11 ist insbesondere relativ zu der Halteeinrichtung so ausgerichtet, dass das von dem Druckkopf 5 auf die Halteeinrichtung 17 aufgebrachte Material durch die Wärmequelle 11 zumindest teilweise oberflächlich anschmelzbar ist.
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Der Druckkopf 5 weist vorzugsweise die Wärmequelle 11 auf. Bevorzugt ist die Wärmequelle 11 integral mit dem Druckkopf 5 ausgebildet.
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Bevorzugt ist die Wärmequelle 11 unabhängig von einer Druckfunktion des Druckkopfs 5 an- und abschaltbar, sie kann also insbesondere bedarfgerecht während des Druckens des Materials 7 und/oder nach dem Drucken des Materials 7 an- oder abgeschaltet werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Ausgestaltung der Wärmequelle 11 als Laserstrahlquelle ist es auch möglich, dass die Wärmequelle 11 als Infrarot-Strahlungsquelle, als induktive Wärmequelle, oder als Teilchenstrahlquelle ausgebildet ist.
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Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 ist die Wärmequelle 11 seitlich – senkrecht zu einer Druckrichtung gesehen, wobei die Druckrichtung auf der Bildebene von 1 senkrecht steht – neben dem Druckkopf 5 derart angeordnet, dass die als Seitenfläche ausgebildete Oberfläche 15 durch die Wärmequelle 11 erwärmbar ist. Auf diese Weise ist – insbesondere während des Druckvorgangs – eine entstehende Seitenfläche des Werkstücks 3 mittels der Wärmequelle 11 bearbeitbar.
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Die Wärmequelle 11 kann zusätzlich oder alternativ zu dieser Ausgestaltung einem Druckauslass 19 des Druckkopfs 5 – in Druckrichtung gesehen – vorlaufend oder nachlaufend angeordnet sein. Anhand des in 2 angedeuteten Laserstrahls 13 in Relation zu dem Druckauslass 19 wird deutlich, dass die Wärmequelle 11 bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich zu ihrer seitlichen Anordnung dem Druckauslass 19 nachlaufend angeordnet ist. Dabei ist in 1 die Druckrichtung durch einen Pfeil P angedeutet.
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Es ist möglich, dass die Wärmequelle 11 lagefest relativ zu dem Druckkopf 5 angeordnet, insbesondere lagefest an dem Druckkopf 5 befestigt ist. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Wärmequelle 11 relativ zu dem Druckauslass 19 verlagerbar gehalten, insbesondere relativ zu dem Druckauslass 19 verlagerbar an dem Druckkopf 5 angeordnet sein kann. Dabei ist bevorzugt eine separate Verlagerungsmimik zur Verlagerung der Wärmequelle 11 vorgesehen, wobei diese unabhängig von einer Verlagerung des Druckkopfs 5 und/oder der Halteeinrichtung 17 verlagerbar ist. Bevorzugt kann durch Verlagern der Wärmequelle 11 insbesondere eingestellt werden, ob diese dem Druckauslass 19 vorlaufend, nachlaufend oder seitlich zu dem Druckauslass 19 angeordnet ist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Schmelzschichten des Werkstücks 3, insbesondere unter Verwendung des Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 1 gemäß 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist hier die Wärmequelle 11 nicht explizit dargestellt, vielmehr ist nur der Laserstrahl 13 angedeutet. Es zeigt sich, dass das Werkstück 3 im Rahmen des Verfahrens schichtweise auf der Halteeinrichtung 17 aufgebaut wird, wobei das Material 7 mittels des Druckkopfs 5 auf die Halteeinrichtung 17 aufgebracht wird, hier konkret insbesondere in Form von Strängen oder Filamenten 9, die übereinander gedruckt werden. Es ist aber auch möglich, dass durch den Druckkopf 5 statt der Filamente 9 Schmelztröpfchen erzeugt und punktweise abgelegt werden, was auch als Tröpfchenbeschichtung bezeichnet wird.
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Es wird eine Relativverlagerung zwischen dem Druckkopf 5 und der Halteeinrichtung 17 bewirkt, wobei zugleich eine Relativverlagerung zwischen der Wärmequelle 11 und der Halteeinrichtung 17 bewirkt wird. Das von dem Druckkopf 5 auf die Halteeinrichtung 17 aufgebrachte Material 7 wird zumindest teilweise oberflächlich mittels der Wärmequelle 11 aufgeschmolzen.
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Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt ein Metallpulver-Grünling als Werkstück 3 aufgebaut, wobei als Material 7 insbesondere ein speziell für das Schmelzschichten eingerichteter Feedstock verwendet wird. Der Feedstock weist besonders bevorzugt wenigstens ein Metallpulver aus einem hartmagnetischen Material auf. Insofern wird als Werkstück bevorzugt ein Permanentmagnet erzeugt.
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Die Vorrichtung 1 ist vorzugsweise spezifisch eingerichtet zum Schmelzschichten von Metallpulver-Grünlingen als Werkstücke 3.
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Es ist aber auch möglich, dass im Rahmen des Verfahrens ein Werkstück 3 aus wenigstens einem Kunststoff – ohne Metallpulver – durch Schmelzschichten aufgebaut wird.
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Im Rahmen des Verfahrens wird die Oberfläche 15 des Werkstücks 3 hier mittels der Wärmequelle 11 geglättet, poliert und/oder strukturiert. Es ist aber auch möglich, dass das Werkstück 3 mittels der Wärmequelle 11 in seinem Volumen kompaktiert wird. Hierzu kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Wärmequelle 11 – anders als in den Figuren dargestellt – nicht auf eine seitliche Oberfläche des Werkstücks 3 ausgerichtet ist, sondern jeweils auf eine obenliegende, dem Druckkopf 5 zugewandte Oberfläche einer gerade im Druck befindlichen oder zuvor gedruckten Schicht des Werkstücks 3. Indem übereinanderliegende Schichten in ihren Berührungsbereichen geglättet werden, kann eine verbesserte Kompaktierung des Werkstücks 3 erreicht werden.
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Insbesondere ist es möglich, dass die Wärmequelle 11 nur zeitweise, insbesondere während des Aufbringens des Materials 7 und/oder nach dem Aufbringen des Materials 7 eingeschaltet wird.
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Auf diese Weise kann eine lokale Oberflächenbearbeitung und/oder eine nachträgliche Bearbeitung von Oberflächen, insbesondere von Außenflächen, des Werkstücks 3 durchgeführt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Wärmequelle 11 dauerhaft während des Aufbringens des Materials eingeschaltet ist, wobei zum einen Oberflächen des Werkstücks 3 während ihrer Entstehung bereits geglättet werden können, wobei zum anderen insbesondere eine Kompaktierung im Volumen des Werkstücks 3 bewirkt werden kann.
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Wie in 2 dargestellt, wird die Wärmequelle 11 bevorzugt auf einen Bereich zwischen zwei Aufbringraupen oder Filamenten 9 des wenigstens einen Materials ausgerichtet gehalten, was eine besonders effiziente Glättung der Oberfläche 15 unter Einebnung der Raupenstruktur ermöglicht.
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Unter einer Aufbringraupe wird dabei insbesondere auch eine in Druckrichtung nebeneinander vorgesehene Anordnung einzelner Schmelztröpfchen verstanden, wobei im Rahmen der Tröpfchenbeschichtung ebenfalls die in den 1 und 2 dargestellten Zwischenräume und zusätzlich noch Zwischenräume zwischen den einzelnen Tröpfchen innerhalb der Aufbringraupen erzeugt werden. Diese können dann ebenfalls in besonders günstiger Weise mittels der Wärmequelle 11 geglättet werden.
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Insgesamt zeigt sich, dass die hier vorgeschlagene Vorrichtung 1 und das Verfahren eine sehr effiziente Oberflächenbearbeitung eines schmelzgeschichteten Werkstücks 3 schon beim Schmelzschichten oder aber auch nach dem Schmelzschichten ermöglichen, wobei insbesondere kurze Taktzeiten und ein sehr vorteilhaftes Handling des Werkstücks 3 gerade bei einer integralen Ausgestaltung des Druckkopfs 5 mit der Wärmequelle 11 ermöglicht werden.
