DE102017001622A1

DE102017001622A1 - Verfahren und Vorrichtung für Schichtbauverfahren mit Entpackträger

Info

Publication number: DE102017001622A1
Application number: DE102017001622.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Günther; Alfred Grießer
Original assignee: Voxeljet AG
Current assignee: Voxeljet AG
Priority date: 2017-02-17
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2018-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein 3D-Druckverfahren und eine Vorrichtung, die einen Entpackträger im Bauraum verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für 3D-Druckverfahren mit einer oder mehreren Entpackträgern.
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 auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verklebt und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wir die Plattform um eine Schichtdicke in einen Bauzylinder abgesenkt und mit einer neuen Schicht Partikelmaterial versehen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine gewisse, erwünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt.
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 oder Sandstrahlen befreit werden.
Die Bauteile liegen üblicherweise nach dem Drucken in einem Baubehälter vor. Dieser Baubehälter stellt meist ein quaderförmiges Volumen dar. Dieses Volumen wird mit den verschiedensten Geometrien beladen, um die Maschine gut auszulasten.
Das 3D-Drucken auf Basis pulverförmiger Werkstoffe und Eintrag flüssiger Binder ist unter den Schichtbautechniken das schnellste Verfahren.
Mit diesem Verfahren lassen sich verschiedene Partikelmaterialien, dazu zählen - nicht erschöpfend - natürliche biologische Rohstoffe, polymere Kunststoffe, Metalle, Keramiken und Sande verarbeiten.
Als Bindesystem kann z.B. ein Feststoff im Partikelmaterial dienen. Dieser wird durch ein aus dem Tintenstrahldruckkopf ausgestoßenes Lösemittel in Lösung gebracht. Nach dem Verflüchtigen des Lösemittels haften die Partikel an den gewünschten Stellen zusammen. Das Bauteil kann aus dem restlichen losen Pulver nach einer gewissen Wartezeit entnommen werden. Diese Wartezeit ist im Allgemeinen lang, da das Lösemittel von dem gelösten Material nur langsam wieder freigegeben wird. Dabei sind oft die Bauteile nach dem Entpacken schwach und können plastisch verformt werden. Die Verflüchtigung des Lösemittels erzeugt eine gewisse Anhaftung am Bauteil, die nach dem Entpacken in Handarbeit entfernt werden muss. Das Lösemittel kann den Druckkopf zusätzlich angreifen. Zudem bedingt der Löseprozess mit anschließendem Wiederverfestigen Schwund im Bauteil und damit Geometrieabweichungen.
Ein Lösemittel kann ebenso mit Molekülen oder Partikeln beladen werden und zum Einsatz kommen. Dadurch kann der Schwund gesenkt werden. Ebenso kann die Aggressivität des Lösemittels bei gleicher Bauteilfestigkeit herabgesetzt werden. Das Lösemittel muss aber vor dem Entpacken vollständig entfernt werden, und die Problematik mit Anhaftungen ist auch hier gegeben.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines Systems, das chemisch zu einer Verfestigung der eingedruckten Flüssigkeit führt und dadurch die Bindung der Partikel realisiert. Dabei werden die Komponenten des Systems nach Möglichkeit getrennt im System vorgehalten. Erst beim Druckprozess kommt es zu der gewünschten Verfestigungsreaktion. Ein Beispiel für ein solches System kann ein als Kaltharzprozess bekanntes Verfahren sein. Dabei wird ein mit Säure umhüllter Sand mit Furfurylalkohol in Kontakt gebracht. Dadurch kommt es zu einer chemischen Reaktion, die die vormals flüssigen Komponenten in einen vernetzten Kunststoff übergehen lassen.
Drucker des Stands der Technik weisen zum Teil Baubehälter auf, die aus der Anlage entnehmbar sind. Diese dienen als Begrenzung für das Pulver und stabilisieren so den Bauprozess. Durch das Wechseln des Baubehälters können Prozess-Schritte parallelisiert werden und die Anlage kann somit gut ausgelastet werden. Ebenso gibt es Anlagen, bei welchen auf eine Plattform gedruckt wird, die wie die Baubehälter aus der Anlage entnommen werden kann. Auch sind Verfahren bekannt, bei denen auf ein durchgehendes Förderband in einem bestimmten Winkel gedruckt wird.
Bei allen Verfahren liegen die Bauteile am Schluss im Pulver vor und müssen durch weitere technische Maßnahmen einer weiteren automatisierten Bearbeitung zugeführt werden. Dabei wirken der Baubehälter, dessen Größe und die Vielzahl an produzierbaren Formen einschränkend auf die Eingliederung des Schichtbauprozesses in ein Produktionssystem. Es existieren zwar zahlreiche Ideen zur Automatisierung über Roboter oder Handhabungseinrichtungen. Der Pulverkuchen, das Entfernen des Partikelmaterials und die genaue Lage der Bauteile machen aber ein prozesssicheres und wirtschaftliches Auspacken und ein Übergeben an weiterverarbeitende Einrichtungen technisch schwer beherrschbar.
Bei Schichtbauverfahren des Standes der Technik wird davon ausgegangen, dass möglichst verschiedene Bauteile mit unterschiedlichen Abmessungen produziert werden müssen. Dieses Konzept wird auch Rapid Prototyping genannt. Nimmt man ein bestimmtes sehr eingeschränktes Bauteilspektrum an, können zielgerichtete Verfahren zur Integration in eine Produktionsanlage implementiert werden. Dieses Konzept wird heute auch als Additive Manufacturing bezeichnet.
EP1322458B2 beschreibt eine Job-Box, die über eine entnehmbare Bauplattform verfügt. Die Bauplattform ruht dabei auf einem Träger, der sich permanent in der Job-Box befindet und der sowohl die Aufgabe der Dichtung zur Job-Box-Wand und der Aufnahme der Z-Höhenverstellung erfüllt. Schwere und/oder sperrige Bauteile können so, nach Entfernung des losen Sandes mit der Plattform aus der Job-Box entnommen werden. Die Bauteile bleiben während der Entnahme somit weiterhin gestützt. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung weist die Entnahmeplattform hier keine weiteren Öffnungen auf, um den verbleibenden Sand los zu werden. D.h. der Großteil des ungebundenen Partikelmaterials muss weiterhin manuell oder maschinell gesteuert entfernt werden.
EP734842A1 beschreibt eine Vorrichtung zum selektiven Lasersintern von Metallen. Hier wird auf eine Bauplattform eine entfernbare Platte befestigt, auf der direkt der weitere Schichtaufbau des gewünschten Bauteils erfolgt.
Insbesondere beim Lasersintern von Metallen entstehen hohe Kräfte im Bauteil durch die Schwindung des Materials, die bereits während des Schichtaufbaus zu Verzug führen können. Es ist deshalb notwendig, dass die Bauteile auf einer Stützstruktur fest verankert werden. Diese könnte auch aus dem Partikelmaterial gesinteret werden, was jedoch relativ aufwändig und langwierig ist. Deshalb ist der Einsatz eines mit dem Bauteil entnehmbaren Trägers hier sinnvoll. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung sind die Bauteile aber fest mit der Trägerplatte verbunden und es ist auch nicht vorgesehen, dass die Trägerplatte Öffnungen aufweist, durch die das Partikelmaterial nach Entnahme aus der Job-Box abfließen kann.
EP2897781B1 zeigt eine Vorrichtung zur Entnahme von Bauteilen aus einem Bauzylinder wobei auf einer Bauplattform, die sich in einem Bauzylinder befindet eine entnehmbare Plattform aufgelegt ist. Nach Beendigung des Bauprozesses wird der gesamte Pulverkuchen mit den gewünschten Bauteilen in ein Entnahmegefäß geschoben, das zu diesem Zweck genau über den Bauzylinder gestellt wird. Anschließend wird das Entnahmegefäß mit der entnehmbaren Plattform verschlossen und die gesamte Einheit von der Bauplattform abgehoben. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wird hier bei der Entnahme der Bauteile aus der Job-Box eben kein Partikelmaterial entfernt. Die Plattform ist dazu voll geschlossen.
US20020090410A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum 3D-Drucken, wobei die gedruckten Bauteile in der Vorrichtung automatisch entpackt werden sollen. Dazu befinden sich sowohl im Bauzylinder als auch in der Bauplattform verschließbare Öffnungen, durch die unverfestigtes Partikelmaterial entfernt werden kann. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ist weder die Bauplattform aus der Vorrichtung entfernbar noch weist sie eine Trägerplatte auf, die entfernbar ist.
US20080241404A1 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zum 3D-Drucken, wobei die gedruckten Bauteile in der Vorrichtung automatisch entpackt werden sollen. Dazu befinden sich in der Bauplattform verschließbare Öffnungen, durch die unverfestigtes Partikelmaterial nach unten abfließen kann. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ist weder die Bauplattform aus der Vorrichtung entfernbar noch weist sie eine Trägerplatte auf, die entfernbar ist.
EP2024168B1 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zum 3D-Drucken, wobei die gedruckten Bauteile in der Vorrichtung automatisch entpackt werden sollen. Dazu befinden sich in der Bauplattform über einen sich ausbildenden Schüttkegel verschließbare Öffnungen, durch die unverfestigtes Partikelmaterial nach unten abfließen kann. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ist weder die Bauplattform aus der Vorrichtung entfernbar noch weist sie eine Trägerplatte auf, die entfernbar ist.
Keines der oben genannten Dokumente offenbart oder legt die vorliegende Erfindung nahe.
Der Stand der Technik weist wie oben ausgeführt verschiedene Nachteile auf.
Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die einen schrittweisen Entpackprozess erlaubt oder/und diesen schrittweisen Entpackprozess mit weiteren Verfahrensschritten zu koppeln.
Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die es erlaubt den Entpackvorgang zumindest teilweise zu automatisieren oder/und mit anderen dem Druckprozess nachgeschalteten Verfahrensschritten zu koppeln Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand deshalb darin die Nachteile des Standes der Technik zumindest zu vermindern oder im Wesentlichen ganz zu vermeiden.
Kurze Beschreibung der Erfindung
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein zumindest teilweises Vorentpacken der Bauteile durch Verwendung eines Entpackträgers.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Schichtbauproduktionssystem, das für einen speziellen Produktionszweck dimensioniert ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung geeignet zur Durchführung eines 3D-Druckverfahrens, die zwischen der Bauplattform und dem hergestellten Formteil mindestens einen herausnehmbaren, vorzugsweise unbefestigten, mehr bevorzugt einen im Wesentlichen horizontal positionierten Entpackträger aufweist, wobei der Entpackträger Öffnungen aufweist, die für das verwendete Partikelmaterial durchgängig sind.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein 3D-Druckverfahren, das mindestens einen Entpackträger verwendet und taktartig arbeitet.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein 3D-Druckverfahren, das einen Baubehälter mit einem oder mehreren Entpackträgern aufweist und bei dem nachfolgende Prozess-Schritte, wie das Nachhärten der Bauteile und die automatische Entnahme des Entpackträgers in der Gesamtanlage integriert sind.
Figurenliste

1: ist eine Darstellung eines konventionellen 3D-Druckprozesses gemäß dem Stand der Technik. Die Darstellung ist geschnitten im Schrägriss.
2: ist eine schematische Darstellung der Prozessschritte eines 3D-Druckenverfahrens.
3: ist eine vereinfachte Darstellung eines Wasserraumkernes für die Herstellung von KFZ-Motorzylinderköpfen.
4: ist eine Darstellung eines konventionellen Baubehälters, der mit Pulver und einem Bauteil gefüllt ist (als Schrägriss) und in der Seitenansicht mit Darstellung des innenliegenden Wasserraumkernes.
5: ist eine Darstellung des Entpackvorganges mit Hilfe von Einzelschritten eines konventionellen Baubehälters, aus dem ein Bauteil entpackt wird.
6: ist eine beispielhafte Darstellung des Entpackvorgangs mit Hilfe von Einzelschritten eines erfindungsgemäßen Baubehälters mit Entpackträger, aus dem ein Bauteil mit einem gitterförmig ausgebildeten Entpackträger (Entpackhilfe) entpackt wird.
7: ist eine Darstellung der Ausführung eines Entpackträgers (Entpackhilfe) als Gitter oder als Rost.
8: Bespielhafte Darstellung der Ausführung einer Entpackhilfe als Gitter mit einem Rahmen und Handhabungsbolzen.
9: Bespielhafte Darstellung der Ausführung einer Entpackhilfe als Gitter mit einem Rahmen, die besonders ausgeformt ist, um ein spezielles Bauteil aufzunehmen.
10: Beispielhafte Darstellung des automatisierten Entpackvorganges mit Hilfe von Einzelschritten eines erfindungsgemäßen Baubehälters, aus dem ein Bauteil mit einer gitterförmig ausgebildeten Entpackhilfe entpackt wird und die Entpackhilfe von einem Förderband übernommen wird.
11: Beispielhafte Darstellung des automatisierten Entpackvorganges mit Hilfe von Einzelschritten eines erfindungsgemäßen Baubehälters, aus dem ein Bauteil mit einer gitterförmig ausgebildeten Entpackhilfe entpackt wird und die Entpackhilfe von einem Roboter übernommen wird.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung ist ein Baubehälter und eine Produktionseinrichtung mit solchen Baubehältern nach Anspruch 1, wobei der Baubehälter mindestens einen Entpackhilfe aufweist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für 3D-Druckverfahren mit einem oder mehreren Entpackträgern, der /die manuell oder mittels Entnahmemitteln aus dem Bauraum entnommen werden können.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Produktionsvorrichtung, die Baufeldwerkzeuge aufweist, die im Volumen dem zu produzierenden Gegenstand ähnlich sind, ein oder mehrere Schichteinheiten verwendet, die auf einer Verfahrachse angeordnet sind und die Baufeldwerkzeuge bedrucken können, und die die Baufeldwerkzeuge taktweise in oder aus der Druckvorrichtung, insbesondere dem Bauraum, in weitere Vorrichtungen bewegen kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, das die durch die Produktionsvorrichtung bereitgestellten Vorrichtungen nutzt.
In einem Aspekt ist die erfindungsgemäße Lösung ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formteilen, wobei ein Partikelmaterial schichtweise in einem Bauraum auf mindestens eine Trägerplattform aufgebracht wird, das aufgebrachte Partikelmaterial selektiv verfestigt wird und dieses Schritte wiederholt werden bis das gewünschte Formteil hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Trägerplattform als Entpackträger ausgestaltet ist, der aus dem Bauraum entnommen wird und eine Teilentpackung aufgrund der Ausgestaltung des Entpackträgers, vorzugsweise durch Öffnungen am Entpackträger, im wesentlichen durch vertikales Abfließen des Partikelmaterials, vorzugsweise durch die Öffnung oder die Öffnungen, erfolgt.
In einem weiteren Aspekt ist die erfindungsgemäße Lösung eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen, umfassend einen Bauraum, der begrenzt ist durch eine Bauplattform und seitliche Wandungen einen Beschichter (Recoater), selektive Verfestigungsmittel und mindestens einen Entpackträger, vorzugsweise zwei bis zwölf Entpackträger, der Öffnungen aufweist durch die das Partikelmaterial im Wesentlichen vertikal fließen kann.
Im Folgenden werden einige Begriffe näher definiert. Andernfalls sind für die verwendeten Begriffe die dem Fachmann bekannten Bedeutungen zu verstehen.
Im Sinne der vorliegenden Offenbarung sind „Schichtbauverfahren“ bzw. „3D-Druckverfahren“ alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen in dreidimensionalen Formen (Formteilen, Bauteilen) ermöglichen und mit den beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungen kompatibel sind. Hierzu zählen u.a. Binder Jetting, High Speed Sintering, Selective Laser Sintering (SLS), Multi Jet Moulding (MJM), Multi Jet Fusion (MJF). Die vorliegende Erfindung ist im Wesentlichen für alle bekannten Pulver-basierten 3D-Druckverfahren anwendbar.
„Formkörper“ oder „Bauteil“ oder „Formteil“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung sind alle mittels des Verfahrens oder/und der Vorrichtung wie in der vorliegenden Offenbarung beschrieben hergestellten, dreidimensionalen Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.
„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. Der Entpackträger kann im Sinne der vorliegenden Offenbarung eine Bauebene bilden.
„Entpackträger“ oder „Entpackhilfe“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist ein flächiges Bauteil, das auf den dichtenden Boden eines Baubehälters aufgelegt werden kann, mit dem dichtenden Boden eines Baubehälters in Kontakt steht oder während des 3D-Druckverfahrens in den Pulverkuchen eingebracht wird oder auf ihn aufgelegt wird oder direkt im Bauraum im Schichtaufbauverfahren hergestellt wird und das additiv erzeugte Bauteil trägt und zumindest teilweise nach unten offen ist. Der Entpackträger kann in seiner Form zumindest teilweise an die herzustellenden Bauteile (Formteile) in seiner Form angepasst sein oder diese zumindest teilweise aufnehmen oder/und eine oder mehrere Halterungen zum Abstützen des herzustellenden Bauteils aufweisen. Beim Anheben des Entpackträgers kann Partikelmaterial zumindest teilweise durch in dem Entpackträger befindlichen Öffnungen hindurchfließen. Der Entpackträger wird auf die Bauplattform aufgelegt oder auf dieser mittels 3D-Druckverfahren aufgebaut. Es können ein bis mehrere, z.B. zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf Entpackträger in dem 3D-Druckverfahren verwendet werden. Dabei wird ein oder der erste Entpackträger auf die Bauplattform aufgelegt oder auf ihr mittels 3D-Druck hergestellt und im Folgenden können weitere Entpackträger, sozusagen schichtweise oder lagenweise, in den Bauraum eingebracht werden und nach Abschluss des Druckprozesses bzw. sobald der Bauraum im wesentlichen vollständig mit dem Pulverkuchen ausgefüllt ist wie im weiteren in der vorliegenden Offenbarung beschrieben zusammen mit den hergestellten Formteilen entnommen werden. In einer Ebene können auch mehrere Entpackträger in der selben Eben, also nebeneinander angeordnet werden. Der oder die Entpackträger nimmt dabei eine im Wesentlichen horizontale Lage ein und auf ihm werden die herzustellenden Formteile schichtweise aufgebaut und selektiv verfestigt wie in der vorliegenden Offenbarung weiter beschrieben ist. Der Aufbau des Entpackträgers kann mit demselben oder einem anderen Material wie die herzustellenden Formteile erfolgen, z.B. Metalle, Kunststoffe, Keramiken, Holz, Beton oder/und Glas. Am Entpackträger oder am Bauraum, z.B. den Wandungen, können Arretierungsmittel vorgesehen sein, die den Entpackträger in Position halten. Diese Verbindung ist lösbar, damit der Entpackträger aus dem Bauraum entnommen werden kann.
„Arretierungsmittel“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung könne z.B. sein Bolzen, Stifte, Schrauben, Rastelemente, Absätze, Formmarken, etc.
Der Prozess „Drucken“ oder „3D-Drucken“ oder „schichtweises Aufbauen“ oder „Schichtbauverfahren“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung bezeichnet die Zusammenfassung der Vorgänge Beschichten, Bedrucken und Arbeitshöhe verstellen und findet erfindungsgemäß in einem offenen oder geschlossenen Prozessraum statt.
Unter einer „Aufnahmeebene“ ist gemäß der vorliegenden Offenbarung die Ebene zu verstehen, auf die Baumaterial aufgetragen wird. Die Aufnahmeebene befindet sich oberhalb der Marken im Baufeldwerkzeug. Die Aufnahmeebene immer in einer Raumrichtung durch eine lineare Bewegung frei zugänglich.
„Verfahrachse“ ist im Sinne der vorliegenden Offenbarung bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Achse, die Schichteinheiten trägt, über den Baufeldwerkzeugen angeordnet ist und einen gegenüber den anderen Achsen im System weiten Verfahrweg aufweist.
„Ausstreichen“ oder „Auftragen“ bedeutet im Sinne der der vorliegenden Offenbarung jegliche Art und Weise mit der das Partikelmaterial verteilt wird. Beispielsweise kann an der Startposition einer Beschichtungsfahrt eine größere Pulvermenge vorgelegt werden und durch eine Klinge oder eine rotierende Walze in das Schichtvolumen verteilt oder ausgestrichen werden.
Als „Partikelmaterial“ oder „Pulver“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung 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.
„Binder“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung sind u.a. alle Stoffe, die einen gezielten Übergang von flüssig zu fest ermöglichen, z.B. Zweikomponentenklebesystem, und Stoffe, die Teile des Partikelmaterials verflüssigen und wieder verfestigen, z.B. Lösemittelkleben.
„Selektive Verfestigungsmittel“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung sind alle dem Fachmann bekannten selektiven Verfestigungsverfahren im 3D-Druckes u.a. Druckköpfe, Laserquellen, Elektronenstrahlenquellen, gerichteten Ultraschall, Extrusionsdüsen, Maskenverfahren, etc.
Ein „Fördersystem“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann z.B. sein ein Fördersystem angepasst an den Entpackträger wie ein Fließband, ein Kettenförderer, ein Roboter, ein Portalroboter, etc.
„Weitere Komponenten“ des 3D-Druckverfahrens im Sinne der vorliegenden Offenbarung könne z.B. sein eine Nachhärtestation, eine Endreinigungsstation, eine Verpackstraße, etc.
Die „Überschussmenge“ oder „Overfeed“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist dabei die Menge an Partikelmaterial, die bei der Beschichtungsfahrt am Ende des Baufeldes vor dem Beschichter hergeschoben wird.
„Beschichter“ oder „Recoater“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist die Einheit, mittels derer das Partikelmaterial in bzw. auf das Baufeld aufgebracht wird. Dieser kann aus einem Fluidvorratsbehälter und einer Fluidauftragseinheit bestehen, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung die Fluidauftragseinheit einen Fluidauslass und eine „Rakeleinrichtung“ umfasst. Diese Rakeleinrichtung könnte eine Beschichterklinge sein. Es könnte aber auch jede andere geeignete Rakeleinrichtung verwendet werden. Denkbar sind beispielsweise auch rotierende Walzen.
Der „Baubehälter“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist eine in der Vorrichtung fest verbaute oder entnehmbare Vorrichtung, die das während des Aufbauprozesses ausgebrachte Baumaterial aufnimmt und die ein Herausströmen in die Produktionseinrichtung verhindert. Der Baubehälter muss im einfachsten Fall keine Wände aufweisen und das Pulver läuft sich auf einer Platte aus. Der Baubehälter (kann auch als „Jobbox“ bezeichnet werden) kann aber auch bestehen aus: einer Bauplattform, die zum Auftragen des Partikelmaterials dient, und Wandungen, die biegesteif oder biegeweich ausgestaltet sind und entweder fest oder entnehmbar mit der Bauplattform verbunden ist.
Der „Druckkopf“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung setzt sich üblicherweise 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.
„Boxvolumen“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung-eines Bauteils ist das Volumen des kleinsten Quaders, in das das Bauteil gebracht werden kann, ohne dass eine Fläche des Quaders vom Bauteil durchdrungen wird.
„Finishing“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung bezeichnet das Reinigen des Bauteils von Anhaftungen, bis die gewünschte Geometrie frei von jedweden Anhaftungen ist und das Bauteil einem weiteren Fertigungsschritt in einer Prozesskette zugeführt werden kann.
Unter „Binder-Jetting - Schichtbauverfahren“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung 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.
Eine „gesteuerte“ Entnahme oder „gesteuert“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist eine Entnahme mittels einer hierzu geeigneten weiteren Vorrichtung. Eine andere Möglichkeit ist eine händische Entnahme. Das Bauteil kann dann weiteren Verfahrensschritten unterzogen werden, wobei die verschiedenen Verfahren miteinander verbunden und auch automatisiert sein können. Die Vorrichtung kann durch eine Steuerung oder/und auch mittels Kodierung der Entpackträger unterschiedliche Bauteile tragen und verschiedene Bauteile können entweder auf einem Entpackträger aufgebaut werden oder unterschiedliche ans die Bauteile angepasste Entpackträger können nacheinander oder gleichzeitig verwendet werden. Es können so auch unterschiedlichen Bauteile mit angepassten Entpackträgern verwendet werden.
Eine „weiteren Vorrichtung“ im Sinne der Offenbarung kann so ausgestaltet sein, dass diese auch verschiedene Entpackträger greifen kann. Vorzugsweise kann der Entpackträger ein, zwei, drei oder mehrere Angriffspunkte zum Greifen aufweisen.
Eine „getaktete“ Entnahme oder „getaktet“ im Sinne der vorliegenden Offenbarung ist, dass eine kontinuierliche Fertigung erfolgen kann, z.B. sind 3D-Druckprozess, die automatische Entnahme und weitere Verfahrensstationen aufeinander abgestimmt und/oder nacheinander über geeignete Transportmittel miteinander verbunden.
Die Erfindung betrifft verschiedene Aspekte. In einem Aspekt ist dies ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formteilen, wobei ein Partikelmaterial schichtweise in einem Bauraum auf mindestens eine Trägerplattform aufgebracht wird, das aufgebrachte Partikelmaterial selektiv verfestigt wird und dieses Schritte wiederholt werden bis das gewünschte Formteil hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Trägerplattform als Entpackträger ausgestaltet ist, der aus dem Bauraum entnommen wird und eine Teilentpackung aufgrund der Ausgestaltung des Entpackträgers, vorzugsweise durch Öffnungen am Entpackträger, im wesentlichen durch vertikales Abfließen des Partikelmaterials, vorzugsweise durch die Öffnungen, erfolgt.
In einem weiteren Aspekt ist dies eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen, umfassend einen Bauraum, der begrenzt ist durch eine Bauplattform und seitliche Wandungen einen Beschichter (Recoater), selektive Verfestigungsmittel und mindestens einen Entpackträger, vorzugsweise zwei bis zwölf Entpackträger, der Öffnungen aufweist durch die das Partikelmaterial im Wesentlichen vertikal fließen kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorteilhafter Weise erreicht, dass eine einfache Entnahme der hergestellten Bauteile unter gleichzeitigem Vor- oder Teilentpacken erzielt werden kann. Weiterhin können in dieser Weise nach dem 3D-Druckprozess durchzuführende Arbeitsschritte einfach mit dem 3D-Druckprozess gekoppelt werden. Schließlich kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Grad der Automatisierung in 3D-Druckverfahren und Arbeitsabläufen weiter erhöht und so die Produktivität vorteilhafter Weise gesteigert werden. Damit stellt die Erfindung ein Mittel dar, um den Personaleinsatz zu verringern und die Produktionskosten zu senken.
Ein weiterer Vorteil ist die schonende Handhabung der Bauteile durch die erfindungsgemäße Automatisierung oder/und den Einsatz von Entpackgitter und weiteren Vorrichtungen zu deren Entnahme nach dem 3D-Druckprozess und die automatische Teilentpackung. In der Regel liegt bei 3D-Druckverfahren der Ausschuss bei 20 bis 30%. Das erfindungsgemäße Entnehmen und Entpacken kann diesen Wert vorteilhafter Weise deutlich verringern, indem Fehler durch eine händische (manuelle) Entnahme vermieden werden. Der Ausschuss kann weiter verringert werden, indem verschiedene Verfahrensschritte und Nachbehandlungsschritte mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung gekoppelt und automatisiert werden können.
Ein weitere Aspekte der Erfindung ist ein Verfahren wie oben beschrieben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen Bauplattform und aufzubauendem bzw. aufgebauten(m) Formteil(en) mindestens ein entnehmbarer Entpackträger eingebracht wird bzw. mehrere Entpackträger im Wesentlichen nebeneinander.
In einem weiteren Aspekte ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbau einer Lage von Formteilen ein weiterer Entpackträger in den Bauraum eingebracht wird oder in diesem aufgebaut wird und gegebenenfalls nach dem Aufbau einer weiteren Lage von Formteilen mindestens ein weiterer Entpackträger in den Bauraum eingebracht wird oder in diesem aufgebaut wird, wobei dieser Vorgang wiederholt werden kann bis das Volumen des Bauraumes mit Partikelmaterial im Wesentlichen gefüllt ist.
In einem weiteren Aspekt ist das erfindungsgemäße Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Aufbau der Formteile ein Entpackvorgang anschließt und der bzw. die Entpackträger mit den jeweils darauf befindlichen Formteilen entnommen wird, vorzugsweise mittels Entnahmemitteln, mehr bevorzugt gesteuert und/oder getaktet.
In einem weiteren Aspekt ist das erfindungsgemäße Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattform nach oben gefahren wird bis die oberste Trägerplattform am oberen Ende des Bauraumes positioniert ist.
In einem weiteren Aspekt ist das erfindungsgemäße Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht verfestigte Pulverkuchen wenigstens teilweise nach unten oder/und seitlich über den Bauraum abfließt.
In einem weiteren Aspekt ist das erfindungsgemäße Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend der Entpackträger seitlich oder nach oben entnommen wird, vorzugsweise mit einem Entnahmemittel und gegebenenfalls dieser Vorgang für jeden Entpackträger wiederholt wird.
In einem weiteren Aspekt ist das erfindungsgemäße Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile gegebenenfalls weiteren Arbeitsschritten unterzogen werden.
In einem weiteren Aspekt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Entpackträger aus einem Metall, einer Legierung, einem Kunststoff, einem Verbundmaterial, einer Keramik besteht oder dieses enthält.
In einem weiteren Aspekt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Entpackträger als Gitter, als Rost, als Netz, als strukturierte Folie ausgestaltet ist, vorzugsweise weist der Entpackträger einen Rahmen auf.
In einem weiteren Aspekt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Entpackträger biegesteif oder biegeweich ausgestaltet ist.
In einem weiteren Aspekt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Entpackträger im Verfahren schichtweise aufgebaut wird, vorzugsweise mit dem selben Material wie die Formteile oder mit einem anderen Material als die Formteile.
In einem weiteren Aspekt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Entpackträger in seiner Form an die herzustellenden Formteile angepasst ist, vorzugsweise, dass er Halterungen für die aufzubauenden Formteile aufweist oder/und die Formteile zumindest teilweise formschlüssig mit dem Entpackträger sind.
In einem weiteren Aspekt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass am Entpackträger oder/und am Bauraum Arretierungsmittel vorgesehen sind.
In einem weiteren Aspekt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sich seitlich des Bauraumes ein oder mehrere Partikelauffangmittel befinden, vorzugsweise ausgestaltet, um das Partikelmaterial zu rezyklisieren.
In einem weiteren Aspekt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Entnahmemittel umfasst.
In einem weiteren Aspekt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnahmemittel ein Mittel umfasst, das in oder an den Entpackträger greifen kann oder/und dass der Entpackträger Mittel zum Ein- oder Angreifen aufweist.
In einem weiteren Aspekt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Entnahmemittel ein Roboter oder ein Fördersystem ist, der/das gegebenenfalls mit weiteren Komponenten zur Automatisierung gekoppelt ist.
Weitere Aspekte der Erfindung werden im Folgenden beschrieben.
Die Erfindung zeigt Wege, wie nach der Durchführung eines Schichtbauverfahrens die Bauteile aus dem Pulverkuchen entpackt werden können und dabei ein hoher Automatisierungsgrad erzielt werden kann.
1 gibt einen 3D-Drucker gemäß dem Stand der Technik wieder. Der 3D-Drucker weist die Vorrichtungsteile Druckkopf (100), Beschichter (101) und eine Bauplattform zur Zustellung einzelner Schichten (107) auf. Der Pulverkuchen wächst in einem Baubehälter (104) während des Prozesses. Das Ergebnis ist ein dreidimensionales Bauteil (113), das aus dem losen, das Bauteil umgebenden Pulver entpackt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Pulverbeschichter (101) auf. Mit diesem wird Partikelmaterial auf eine Bauplattform (102) aufgebracht und geglättet (2(a)). Das aufgebrachte Partikelmaterial kann aus verschiedensten Materialien bestehen. Beispielsweise können Sande, Keramikpulver, Metallpulver, Kunststoff, Holzpartikel, Faserwerkstoff, Cellulosen, Lactosepulver usw. verwendet werden. Die Fließeigenschaften dieser Materialien können stark unterschiedlich ausfallen. Verschiedene Beschichtertechniken lassen die Schichtbildung von trockenen frei fließenden Pulvern über kohäsive schnittfeste Pulver bis hin zu flüssigkeitsbasierten Dispersionen zu. Die Höhe der Pulverschichten (107) wird durch die Bauplattform (102) bestimmt. Sie wird nach dem Aufbringen einer Schicht abgesenkt. Beim nächsten Beschichtungsvorgang wird das entstandene Volumen verfüllt und der Überstand glattgestrichen. Das Ergebnis ist eine nahezu perfekt parallele und glatte Schicht definierter Höhe.
Nach einem Beschichtungsprozess wird die Schicht mittels eines Tintenstrahldruckkopfes (100) mit einer Flüssigkeit bedruckt (1 (105), 2(b)). Das Druckbild entspricht dem Schnitt durch das Bauteil in der aktuellen Bauhöhe der Vorrichtung. Die Tropfen der Flüssigkeit (109) treffen auf das Partikelmaterial und die Flüssigkeit diffundiert langsam in das Pulver hinein.
Die so erzeugte neue Schicht wird dann um eine Schichtstärke abgesenkt. Daraufhin beginnt der Prozess der Schichterzeugung von vorne und er wird solange wiederholt, bis die gewünschte Bauhöhe und somit die gewünschten Teile fertiggestellt sind.
Nach dem Bauprozess liegt das Bauteil im Pulver eingebettet vor. Je nach Vorrichtung ist der Baubehälter, in dem das Bauteil liegt, fester Bestandteil der Druckanlage, oder er ist herausnehmbar.
Ein herausnehmbarer Behälter hat den Vorteil, dass der Entpackvorgang des Bauteils nicht in der Druckanlage stattfinden muss. Somit kann, bei einer dem Produktionsprozess angepassten Anzahl von Baubehältern, eine sehr gute Auslastung der Druckanlage erzielt werden.
Der Baubehälter enthält in allen Fällen und erfindungsgemäß eine Bauplattform, auf der die Schichten aufgebaut werden können. Diese Bauplattform verhindert, dass Pulver nach unten abfließen kann.
Der Baubehälter weist meist, aber nicht zwingend, Wände auf. Sie dienen dazu, das Auslaufen des Pulvers in den horizontalen Richtungen zu verhindern. Ist eine Wand vorhanden, muss auch eine Dichtung vorhanden sein, die den Bereich zwischen Bauplattform und Wand abdichtet. Sie ist technisch dem jeweiligen Pulver angepasst.
Der Boden des Baubehälters, also die Bauplattform, kann in der Z-Richtung, der Schwerkraftrichtung, verfahren werden. Diese Bewegungsmöglichkeit muss vorhanden sein, um das Schichtbauverfahren zu realisieren. Dies gilt nur für Vorrichtungen mit Baubehältern und Wänden.
Vorrichtungen ohne Wände realisieren meist eine Höhenverstellung während des Erzeugens der Schichten durch eine Höhenverstellung der Druck- und Beschichterebene. Hier ist gegebenenfalls für eine erfindungsgemäße Ausführung eine Bewegungsmöglichkeit der Bauplattform vorzusehen.
Wird die Bauplattform in die oberste Position gebracht, liegt der Pulverkuchen meist schon oberhalb des bewandeten Bereiches des Baubehälters. Eine gewisse Menge des Pulvers fließt jetzt in Abhängigkeit vom Schüttwinkel des Materials bereits über die Wände des Baubehälters ab. Hier können Aufnahmevorrichtungen vorhanden sein, die ein Auffangen und Weiterverarbeiten oder Rezyklisieren des Pulvers ermöglichen.
Erfindungsgemäß kann auf der Bauplattform eine Entpackhilfe (Entpackträger) angeordnet sein. Diese ist aus dem Baubehälter herausnehmbar. Im Vergleich zur Bauplattform ist diese Entpackhilfe nicht in Richtung der Schwerkraft, in Bezug auf das Pulver, dichtend. Sie ist aber dergestalt, dass kein Bauteil durch die vorhandenen Löcher oder Öffnungen fallen kann.
Der oben beschriebene Prozess, die Bauplattform in die oberste Lage nach einem Bauprozess zu fahren, ist auch erfindungsgemäß sinnvoll. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn durch das Abfließen des Pulvers Teile der Entpackhilfe freigelegt werden. Diese können dann händisch oder automatisiert gegriffen werden.
Wird kein Teil der Entpackhilfe freigelegt, müssen zusätzlich Reinigungsverfahren genutzt werden, um eben einen Teil der Entpackhilfe freizulegen.
Im Anschluss wird die Entpackhilfe nach oben von der Bauplattform entfernt. Bei diesem Vorgang fließt weiteres Pulver vom Bauteil ab und rieselt durch die Entpackhilfe im Wesentlichen auf die Bauplattform. Das Bauteil senkt sich jetzt auf die Entpackhilfe ab und kommt mit dieser in Kontakt oder sie wurde in Kontakt mit ihr aufgebaut.
Der Vorgang des Abfließens von Pulver kann mit verschiedenen Maßnahmen begünstigt werden. Zum einen kann allein durch die Bewegung das Abfließen einer gewissen Pulvermenge erzwungen werden. Erzwungene Vibrationen verstärken einen solchen Effekt noch einmal deutlich. Ebenso kann aber die Entpackhilfe so gestaltet sein, dass sie nach dem teilweisen Freilegen einen Anschluss oder eine Öffnung freigibt, über die Druckluft oder andere Gase in die Entpackhilfe eingeleitet werden können. Die Druckluft ermöglicht es, das Fließverhalten des Pulvers stark zu beeinflussen und somit die Wirksamkeit des Entpackens stark zu steigern.
Ziel des beschriebenen Vorganges ist ein Entpacken oder zumindest ein Teilentpacken und eine Vorreinigung des Bauteils. Das Bauteil liegt dann vorgereinigt auf der Entpackhilfe vor und kann Folgeprozesse zugeführt werden. Dies könnte beispielsweise das Greifen durch einen Roboter zur endgültigen Abreinigung von Pulveranhaftungen am Bauteil sein.
Die Entpackhilfe selbst kann verschiedene Ausprägungen besitzen. Jeweils ist die erfindungsgemäße Funktion auch von der Bauteilgeometrie abhängig.
Die Entpackhilfe liegt entweder auf der Bauplattform auf oder sie wird während des Aufbauprozesses in den Bauraum eingebracht. Somit wird es möglich Formteile in Lagen herzustellen. Die so hergestellten Formteile können dann mittels Entpackhilfe lagenweise aus dem Bauraum entnommen werden, wobei sie bei der Entnahme bereits - quasi automatisch - teilentpackt werden. Die Entpackhilfe ermöglicht das Abfließen des Pulvers nach unten. Meist sind Löcher in der Entpackhilfe vorhanden, die das Abfließen ermöglichen. Bei kleinen Bauteilen müssen aber keine Löcher vorhanden sein oder eine Art Sieb oder feinmaschiges Gitter, das für das Pulver durchlässig ist und andererseits die Formteile zurückhält.
Je nach Vorrichtung, Größe und Geometrie können auch mehrere Entpackhilfen vorhanden sein. Ebenso ist es möglich, mehrere Bauteile durch eine Entpackhilfe aufzunehmen.
Die Entpackhilfe (Entpackträger) kann als Gitter oder Rost ausgeführt sein. Biegesteife Ausführungen sind vorteilhaft, wenn die Bauteile keine hohe Eigenfestigkeit aufweisen. Dann werden sie beim Entpackprozess durch die Entpackhilfe gestützt. Biegeweiche Ausführungen des Gitters in Form von Netzen oder strukturierten Folien sind dann vorteilhaft, wenn die Bauteile empfindlich für hohe Flächenpressung sind oder eine geringe Kantenfestigkeit aufweisen.
Je nach Produktionsaufgabe kann es erfindungsgemäß bevorzugt sein, ein Gitter zur Aufnahme von beliebigen Teilen oder eine der Aufgabe angepasste Entpackhilfe zu wählen.
Es ist oft sinnvoll, einen Rahmen für die Entpackhilfe vorzusehen. Dieser Rahmen ist mit dem Gitter oder der Entpackhilfe verbunden. Der Rahmen kann auch als Gitter oder Netz ausgestaltet sein.
Biegesteife wie biegeweiche Ausführungen sind erfindungsgemäß bevorzugt mit geometrischen Merkmalen ausgestattet, die eine definierte Schnittstelle zu einem Werkzeug darstellen, mit dem die Entpackhilfe bewegt werden kann.
Beispielweise können am genannten Rahmen Bolzen vorgesehen sein. Diese Bolzen sind vorteilhafterweise nach dem Anheben der Bauplattform frei von Pulver. Ist das nicht der Fall, kann ein Freilegungsschritt zwischengeschaltet werden.
Die Bolzen können durch Haken, Löcher oder Greifer mit einer Hebe- und Bewegungsvorrichtung verbunden werden. Jetzt kann die Entpackhilfe vom Baubehälter entfernt werden. Wird die Entpackhilfe nach oben abgehoben, sollte je nach Ausführung ein Teil des Pulvers, der sich im Nahbereich des Bauteils befindet, nach unten auf die Bauplattform rieseln. Dadurch wird das Bauteil „vorgereinigt“. Je nach Stärke der Anhaftungen von Pulver am Bauteil und dessen Geometrie kann das Bauteil dann auch schon komplett gereinigt sein.
Durch das Abfließen des Pulvers beim Anheben bewegt sich das Bauteil zwangsweise in Richtung Entpackhilfe. Bevorzugter Weise weist die Entpackhilfe Merkmale auf, die mit Merkmalen des Bauteils korrelieren und die eine Positionierung des Bauteils auf der Entpackhilfe ermöglichen. Dies ermöglicht in Folgeprozessen, die Position des Bauteils durch automatische Algorithmen verwenden zu können und damit die Automatisierungskette zu schließen.
Die Vorrichtung zum Bewegen der Entpackhilfe kann dabei beispielsweise ein Roboter sein. Dieser kann sehr flexibel programmiert werden. Die Entpackhilfe kann entweder über definierte Lagen zum Roboter positioniert werden oder der Roboter ist mit optischen Mitteln ausgestattet, die ein erfassen von Merkmalen der Entpackhilfe zulassen.
Ebenso ist aber auch die Integration in ein Fördersystem möglich. Beispielsweise kann der Baubehälter relativ zu einem Schienensystem bewegt werden. Dieses Schienensystem wird durch eine Bewegung des Baubehälters in Richtung Schienensystem mit dem Rahmen der Entpackhilfe in Eingriff gebracht. Durch die Bewegung des Baubehälters wird die Entpackhilfe gekippt, bis sie von einem Fördersystem gegriffen und vom Baubehälter weggezogen wird. Dabei fließt das Partikelmaterial auf den Baubehälter oder/und die Bauplattform oder/und in seitliche Auffangmittel. Das so wieder gewonnene Pulver kann Reinigungsschritten unterzogen werden, direkt wieder verwendet werden oder in einer anderen Weise rezyklisiert werden.
Die oben dargestellten Merkmale sollen nicht so verstanden werden, dass sie auf die explizit beschriebenen Kombinationen beschränkt sein sollen. Vielmehr ist die vorliegende Offenbarung so zu verstehen, dass alle hier beschriebenen Merkmale in der expliziten dargestellten Weise kombiniert werden können und auch in jeder weiteren möglichen und technisch sinnvollen Weise kombiniert werden können, sofern sie technisch möglich ist.
Im Folgenden werden Aspekte der Erfindung in Beispielen veranschaulicht, die bevorzugte Ausführungsformen darstellen ohne begrenzend verstanden zu werden.
Beispiele
Eine beispielhafte Anwendung der Erfindung könnte die Großserienproduktion von Gießereikernen sein. Hierbei treten oft komplexe Geometrien auf, die sich durch Schichtbauverfahren sinnvoll produzieren lassen.
In der konventionellen Serienproduktion werden diese Kerne (300) mit aufwändigen Werkzeugen in Kernschussanlagen hergestellt. Jeder Einzelkern muss hinterschneidungsfrei sein. Das Werkzeug für die komplexen Formen ist äußerst teuer. Es besteht dabei aus mehreren Schiebern, die aus unterschiedlichen Raumrichtungen zugestellt werden und dabei den Hohlraum definieren, der in einem weiteren Schritt mit dem Formstoff gefüllt wird.
Das 3D-Drucken solcher Kerne oder auch Kernpakete ist äußerst attraktiv. Es bietet die Möglichkeit, Montagevorgänge der Kerne zu reduzieren, deren Komplexität weiter zu erhöhen und Weiterentwicklungen in der Form rasch umzusetzen.
Kennzeichnend für einen solches Kernpaket ist eine bestimmte geometrische Ausdehnung. Die Außenabmessungen könnten beispielsweise 8X15X60 cm sein. Dieser „Formfaktor“ bleibt oft über Jahre der Produktion konstant, auch wenn sich die geometrische Struktur ändert.
Zur Vorbereitung des Druckprozesses wird der Baubehälter (401) gereinigt. Die Merkmale an der Bauplattform (102) zur Aufnahme der Entpackhilfe (600) werden ebenso gereinigt.
Die Entpackhilfe (600) wird jetzt eingesetzt. Auch sie ist vom letzten Prozesslauf verschmutzt und muss vorgereinigt werden. Das Einsetzen kann händisch aber auch vollautomatisch erfolgen. Die automatische Einlegeanlage ist dabei eine pneumatische Hebevorrichtung, die die Entpackhilfe auf den Baubehälterboden in seiner untersten Position setzt.
Die Bauteile (300) werden im Bauraum so platziert, dass sie relativ zur Entpackhilfe (600) einen sinnvollen Platz einnehmen. Die Entpackhilfe wie die Bauteilplatzierung sind auf eine optimale Ausnutzung der vorhandenen Druckfläche ausgelegt. Es wird in der Höhenrichtung nur eine Lage Bauteile platziert.
Für die Druckvorbereitung wird die Entpackhilfe in der Druckmaschine von Pulver überdeckt, so lange bis alle Hohlräume verfüllt sind und eine glatte Bauoberfläche zur Verfügung steht.
Eine Vorrichtung für das erfindungsgemäße 3D-Druckverfahren kann die auf 2 dargestellten Prozesseinheiten verwenden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Pulverbeschichter (101) auf. Mit diesem wird Partikelmaterial auf eine Bauplattform (102) aufgebracht und geglättet ( 2(a)). Dabei ist ein Pulvervorrat (113) vorhanden, der über das Baufeld transportiert wird. Der Ausfluss von Partikelmaterial auf das Baufeld wird über das Zuschalten einer Vibration geschaltet. Eine Klinge unterhalb des Pulvervorrates streicht das Pulver dabei glatt.
Das aufgebrachte Partikelmaterial kann aus verschiedensten Materialien bestehen. Beispielsweise können Sande, Keramikpulver, Metallpulver, Kunststoff, Holzpartikel, Faserwerkstoff, Cellulosen, Lactosepulver usw. verwendet werden.
Die Höhe der Pulverschichten wird durch die Bauplattform bestimmt. Sie wird nach dem Aufbringen einer Schicht abgesenkt. Beim nächsten Beschichtungsvorgang wird das entstandene Volumen verfüllt und der Überstand von einer Klinge glattgestrichen.
Im Speziellen kann die Binder-Dosiervorrichtung zum Beispiel aus einem Tintenstrahldruckkopf (100) bestehen, der den Binder in einzeln abrufbaren Tropfen selektiv auf das Baufeld dosiert.
Nach einem Beschichtungsprozess wird die Schicht mittels des Tintenstrahldruckkopfes (100) mit einer Flüssigkeit bedruckt (2(b)). Das Druckbild entspricht dem Schnitt durch das Bauteil oder die Bauteile in der aktuellen Bauhöhe der Vorrichtung. Die Flüssigkeit trifft auf das Partikelmaterial und diffundiert langsam hinein.
Nach diesem Schritt wird die Bauplattform (102) um eine Schichtstärke abgesenkt. Durch das Wiederholen der genannten Schritte wird das komplette Bauteil oder werden die kompletten Bauteile (103/300) erstellt.
Nach dem Druckprozess liegen die Bauteile (300) im Baubehälter (401) vor. Erfindungsgemäß bevorzugt ist in Höhenrichtung nur eine Lage Bauteile in einen Baubehälter gedruckt.
Der Baubehälter wird aus der Maschine verfahren, wobei dies manuell oder automatisiert erfolgen kann. Daraufhin wird der Behälter einer Entpackposition zugeführt. An dieser Position ist eine Vorrichtung vorhanden, die es ermöglicht, die Bauplattform (102) in die oberste mögliche Lage des Baubehälters zu fahren.
Während des Hebens der Bauplattform läuft bereits eine gewisse Menge Pulver (500) über den Rand des Baubehälters und kann durch ein Sammelsystem aufgefangen werden. Die Konstruktion sollte es ermöglichen, die Bauplattform (102) mit ihrer Oberseite über die Höhe des Behälterrandes zu bewegen. Dabei werden die Handhabungsbolzen (801) der Entpackhilfe (600) freigelegt.
Vorrichtungsbeispiel 1
Der Baubehälter (401) läuft außerhalb der Druckmaschine auf einem Schienensystem. Im Bereich der Entpackposition wird der Baubehälter mit einem Vorrichtungsteil in Eingriff gebracht, der es ermöglicht, die Bauplattform (102) während der Bewegung des Baubehälters anzuheben.
Ab einer gewissen Position in Laufrichtung erreicht die Bauplattform ihre oberste Position. Der Baubehälter (401) läuft dann weiter. Oberhalb seiner Oberkannte ist relativ zur seiner Bewegung stehend ein Element angebracht, das unter die Handhabungsbolzen (801) des Entpackrahmens (800) greift und durch die Bewegung des Baubehälters die Entpackhilfe (600) einseitig anhebt. Durch die Anhebung läuft Pulver nach unten ab.
Ein Förderband (1000) greift dann den in Fahrtrichtung vorderen Entpackbolzen (801) und zieht die Entpackhilfe (600) auf das Band. Eine weitere Menge Pulver läuft ab. Das Bauteil ist jetzt vorgereinigt. Dieses Band bringt die Entpackhilfe (600) mit dem Bauteil weiter zu weiteren Stationen, in denen das Bauteil bis zum abschließenden Produktionszustand weiter bearbeitet wird.
Vorrichtungsbeispiel 2
Ein Roboter (1100) ist mit einem Rahmen ausgestattet. Dieser Rahmen trägt Haken (1101), die pneumatisch (1102) in eine Vertikale und eine um 45° gekippte Lage gebracht werden können. Dabei wird der Rahmen von oben in Richtung der Entpackhilfe bewegt. Die zuerst in 45°-Stellung geöffneten Haken werden in der Greifposition vertikal gestellt. Jetzt ist die Entpackhilfe (600) mit dem Roboterrahmen verriegelt.
Der Roboter bewegt nun die Entpackhilfe langsam nach oben. Dabei fließt ein weiterer Teil des Pulvers (501) in Richtung des Baubehälterbodens (102) ab. Das Bauteil ist damit vorgereinigt und kann einen Folgeschritt, beispielweise der Endreinigung, bei der letzte Anhaftungen entfernt werden, zugeführt werden.
Dazu wird die Entpackhilfe auf einer Übergabestation abgelegt. Durch die Vorreinigung ist es möglich, jetzt das Bauteil definiert mit einem weiteren Roboter zu greifen. Das Bauteil kann jetzt bespielweise mit Druckluft oder Pulverstrahlen gereinigt werden.
Verschiedene Aspekte der Erfindung werden im Folgenden gezeigt:

• Baubehälter mit einem dichtenden Boden, einem zweiten herausnehmbaren Boden (Entpackhilfe / Entpackträger), der zumindest teilweise in die Schwerkraftrichtung geöffnet ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackhilfe / Entpackträger) der gegenüber der Belastung mit dem Bauteil weitgehend eigensteif ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackhilfe), der gegenüber der Belastung mit dem Bauteil nicht eigensteif ist und sich an das Bauteil anlegt
• Herausnehmbarer Boden (Entpackhilfe / Entpackträger), der als Gitter oder Rost ausgeprägt ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackhilfe / Entpackträger), der als Lochraster ausgeprägt ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackhilfe / Entpackträger), der als Lochraster mit Rücksicht auf die Bauteilkontur ausgeprägt ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackhilfe / Entpackträger), der spezielle Löcher zum Abfließen von Sand aufweist und für die Aufnahme des Bauteilgewichtes ausgesteift ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der als Gitter ausgeprägt ist und mit biegeweichen Drähten ausgeführt ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der als Gitter ausgeprägt ist und mit textilen Fäden ausgeführt ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der als geschlossene textile Fläche mit Öffnungen ausgeführt ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der als geschlossene elastische Lage ausgeführt ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der als geschlossene elastische Lage aus Silikon ausgeführt ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der einen Rahmen aufweist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der Marken zur Aufnahme durch ein Transportgerät aufweist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der von einem Roboter zu weiteren Prozessen verbracht werden kann
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der von einem Fördersystem übernommen wird
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der über Markierungen zum dichtenden Boden platziert wird
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der über Markierungen in Form von Stiften verfügt
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), der über Markierungen zur Zentrierung des Bauteils relativ zum herausnehmbaren Boden verfügt
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), dessen Werkstoff für die Folgeprozesse des Gesamtprozesses geeignet ist
• Herausnehmbarer Boden (Entpackträger / Entpackhilfe), dessen Werkstoff hitzebeständig ist

Bezugszeichenliste

100: Druckkopf
101: Beschichter
102: Bauplattform
103: Bauteil
104: Baubehälterwand
105: Druckkopfbahn
106: Beschichterbahn
107: Schichten
108: Bahn der Bauplattform
109: Bindertropfen
110: Pulver zur Verfüllung der Schicht
111: Baufeld
112: Spalt im Beschichter zum Pulveraustritt
113: Pulvervorrat im Beschichter
200: IR-Strahlungsquelle
300: Wasserraumkern
301: Ventilöffnung
302: Kanal zum Motorblock
303: Überhängende Kernmarke
400: Pulverkuchen
401: Baubehälter
500: Abfließendes Pulver (Hochfahren)
501: Abfließendes Pulver (Anheben)
502: Pulver nach dem Abfließen
600: Entpackträger (Entpackhilfe)
700: Entpackträger (Entpackhilfe) als Gitter ausgebildet
701: Entpackträger (Entpackhilfe) als Rost ausgebildet
702: Längsstrebe
703: Querstrebe
800: Rahmen
801: Handhabungsbolzen
900: Dem Bauteil angepasster Entpackträger (Entpackhilfe)
1000: Fördereinrichtung
1001: Baubehälterbewegung
1100: Roboter
1101: Greifer
1102: Schließmechanismus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0431924 B1 [0002]
EP 1322458 B2 [0013]
EP 734842 A1 [0014]
EP 2897781 B1 [0016]
US 20020090410 A1 [0017]
US 20080241404 A1 [0018]
EP 2024168 B1 [0019]

Claims

Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formteilen, wobei ein Partikelmaterial schichtweise in einem Bauraum auf mindestens eine Trägerplattform aufgebracht wird, das aufgebrachte Partikelmaterial selektiv verfestigt wird und dieses Schritte wiederholt werden bis das gewünschte Formteil hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Trägerplattform als Entpackträger ausgestaltet ist, der aus dem Bauraum entnommen wird und eine Teilentpackung aufgrund der Ausgestaltung des Entpackträgers, vorzugsweise durch Öffnungen am Entpackträger, im wesentlichen durch vertikales Abfließen des Partikelmaterials, vorzugsweise durch die Öffnungen, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Bauplattform und aufzubauendem bzw. aufgebauten(m) Formteil(en) mindestens ein entnehmbarer Entpackträger eingebracht wird, vorzugsweise im Wesentlichen nebeneinander.
Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formteilen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbau einer Lage von Formteilen ein weiterer Entpackträger in den Bauraum eingebracht wird oder in diesem aufgebaut wird und gegebenenfalls nach dem Aufbau einer weiteren Lage von Formteilen mindestens ein weiterer Entpackträger in den Bauraum eingebracht wird oder in diesem aufgebaut wird, wobei dieser Vorgang wiederholt werden kann bis das Volumen des Bauraumes mit Partikelmaterial im Wesentlichen gefüllt ist.
Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formteilen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Aufbau der Formteile ein Entpackvorgang anschließt und der bzw. die Entpackträger mit den jeweils darauf befindlichen Formteilen entnommen wird, vorzugsweise mittels Entnahmemitteln, mehr bevorzugt gesteuert und/oder getaktet, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattform nach oben gefahren wird bis die oberste Trägerplattform am oberen Ende des Bauraumes positioniert ist, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass der nicht verfestigte Pulverkuchen wenigstens teilweise nach unten oder/und seitlich über den Bauraum abfließt, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass anschließend der Entpackträger seitlich oder nach oben entnommen wird, vorzugsweise mit einem Entnahmemittel und gegebenenfalls dieser Vorgang für jeden Entpackträger wiederholt wird.
Verfahren zum schichtweisen Aufbau von Formteilen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formteile gegebenenfalls weiteren Arbeitsschritten unterzogen werden.
Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen, umfassend einen Bauraum, der begrenzt ist durch eine Bauplattform und seitliche Wandungen einen Beschichter (Recoater), selektive Verfestigungsmittel und mindestens einen Entpackträger, vorzugsweise zwei bis zwölf Entpackträger, der Öffnungen aufweist durch die das Partikelmaterial im Wesentlichen vertikal fließen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Entpackträger aus einem Metall, einer Legierung, einem Kunststoff, einem Verbundmaterial, einer Keramik besteht oder dieses enthält, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass der Entpackträger als Gitter, als Rost, als Netz, als strukturierte Folie ausgestaltet ist, vorzugsweise weist der Entpackträger einen Rahmen auf.
Vorrichtung nach Anspruch 6-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Entpackträger biegesteif oder biegeweich ausgestaltet ist oder/und dadurch gekennzeichnet, dass der Entpackträger im Verfahren schichtweise aufgebaut wird, vorzugsweise mit dem selben Material wie die Formteile oder mit einem anderen Material als die Formteile oder/und dadurch gekennzeichnet, dass der Entpackträger in seiner Form an die herzustellenden Formteile angepasst ist, vorzugsweise, dass er Halterungen für die aufzubauenden Formteile aufweist oder/und die Formteile zumindest teilweise formschlüssig mit dem Entpackträger sind oder/und dadurch gekennzeichnet, dass am Entpackträger oder/und am Bauraum Arretierungsmittel vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass sich seitlich des Bauraumes ein oder mehrere Partikelauffangmittel befinden, vorzugsweise ausgestaltet, um das Partikelmaterial zu rezyklisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Entnahmemittel umfasst, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass das Entnahmemittel ein Mittel umfasst, das in oder an den Entpackträger greifen kann oder/und dass der Entpackträger Mittel zum Ein- oder Angreifen aufweist, vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass das Entnahmemittel ein Roboter oder ein Fördersystem ist, der/das gegebenenfalls mit weiteren Komponenten zur Automatisierung gekoppelt ist.