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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Modells und ein System zum Herstellen eines Modells.
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Zum Herstellen und/oder Ausarbeiten eines Designs bzw. eines Entwurfs und somit eines Modells für eine Vorrichtung wird sogenannter Clay bzw. sogenanntes Industrieplastilin verwendet. Ein dabei herzustellendes Modell umfasst einen Unterbau, an dem Hartschaumplatten aus Polyurethan befestigt werden, die einen befrästen Offset aufweisen können. Anschließend wird der Unterbau manuell mit einer Schicht aus Clay bestrichen, die eine Dicke von mehreren Millimetern bis zu mehreren Zentimetern aufweisen kann. Dies erfolgt stets in einzelnen Arbeitsschritten, wobei eine Erstellung des Unterbaus sowie der Hartschaumplatten als auch der Auftrag des Clays manuell durchgeführt werden. Sowohl bei einem Exterior-Modellbau als auch bei einem Interior-Modell ist eine ähnliche Vorgehensweise vorgesehen, wobei eine sogenannte Lafette, die eine Stahl- und/oder Gitterrahmenkonstruktion mit einer entsprechenden Fahrwerkskonstruktion aufweist, vorgefertigt wird. Danach werden auf der Lafette mit einem Offset gefräste Schaumklötze unterschiedlicher Größe und/oder Härte befestigt. Dieser Unterbau wird weiterhin in einem aufwendigen Prozess manuell mit Clay bestrichen.
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Eine Herstellung eines derartigen Modells, d. h. Design-Modells bzw. Interior- oder Exterior-Claymodell, ist zeitaufwändig, da allein für einen Zusammenbau mehrere Tage benötigt werden. Ergänzend werden auch enorme Ressourcen an Material, d. h. von Polyurethan-Schaum und Clay verschlungen, die unter hohem personellem Aufwand verarbeitet werden. Durch eine zum Teil mehrwöchige Planungs- und Ausarbeitungsphase der Vorrichtung, für die das Modell herzustellen ist, kann es immer wieder zu Situationen kommen, in denen ein parallel zu dem Design-Modell hergestelltes und weiterentwickeltes CAD-Modell nicht mehr dem entspricht, was mit dem Design-Modell dargestellt werden soll. Etwaige Unterschiede können durch aktuelle Fräsungen bzw. Neufräsungen umgangen werden, was jedoch nur dann möglich ist, wenn ein vorher festgelegter Offset zwischen einer fräsbaren Oberfläche des Modells und der eigentlichen Designoberfläche des Modells überschreitet, da ansonsten auch der Unterbau des Modells gefräst werden müsste, wodurch umliegender Clay verunreinigt wird. Eine freiliegende Stelle des Unterbaus ist nachträglich auszuhöhlen und mit Clay aufzufüllen.
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Um einen Materialeinsatz möglichst gering zu halten, wird der Offset für die Fräsung möglichst klein gehalten, wodurch jedoch Freiheiten in einer Bearbeitung der Schicht aus Clay des Modells eingeschränkt werden. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass eine Handhabung, bspw. bei einem Transport zu einer externen Präsentation, eines derartigen Design-Modells bzw. Exterior-Claymodells aufgrund der zu verwendenden Materialien schwer und umständlich ist, da diese aufgrund ihres Gewichts und vorzunehmender Umbauten hohen Belastungen ausgesetzt sind. Weiterhin ist eine Herstellung von extrem großen Modellen für Bauteile, bspw. für eine Schalttafel, aufgrund maximal möglicher Abmessungen von verfügbaren Platten aus Hartschaum nicht an einem Stück möglich. Daher ist es erforderlich, diese Platten in einem separaten Arbeitsschritt miteinander zu verkleben. Außerdem ist hierbei zu berücksichtigen, dass sämtliche Geometrien zur Befestigung von mindestens einem Bauteil von Hand einzumessen und anschließend zu erstellen sind. Dies ist eine potentielle Quelle von Fehlern und führt immer wieder zu Verzögerungen im Herstellungs- und damit im Designprozess.
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Die Druckschrift
WO 2015/189600 A2 beschreibt ein Werkzeug, das dazu ausgebildet ist, auf einem Werkstück Material aufzutragen und zu entfernen.
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Die Druckschrift
CN 104589466 A beschreibt ein Formverfahren unter Verwendung von Clay.
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Ein 3D-Drucker zum Auftragen von Tonerde ist aus der Druckschrift
CN 205258328 U bekannt.
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Vor diesem Hintergrund war es eine Aufgabe, ein Modell für eine Vorrichtung effizienter herzustellen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren und einem System mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen des Verfahrens und des Systems gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Modells wird zuerst durch ein additives und/oder generatives Verfahren mindestens ein Teil eines Unterbaus des herzustellenden Modells hergestellt. Danach wird auf einer Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus durch ein additives und/oder generatives Verfahren mindestens eine Schicht aus Clay aufgetragen.
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Bei dem Clay handelt es sich um eine Substanz, die bspw. als Industrieplastilin oder Knetmasse ausgebildet und/oder zu bezeichnen ist und verschiedene Bestandteile, bspw. organische Verbindungen auf Basis von Kohlenwasserstoff, wie Wachs, Öl, Füllstoffe und/oder Pigmente, aufweist.
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In Ausgestaltung wird der mindestens eine Teil des Unterbaus durch ein dreidimensionales Druckverfahren hergestellt. Alternativ oder ergänzend wird die mindestens eine Schicht aus Clay durch ein dreidimensionales Druckverfahren auf der Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus aufgetragen und somit hergestellt.
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Hierbei ist es möglich, dass zum Herstellen des mindestens einen Teils des Unterbaus mindestens eine Schicht eines Ausgangsmaterials auf mindestens einen Träger aufgetragen wird.
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Zum Herstellen des mindestens einen Teils des Unterbaus wird als der mindestens eine Träger eine Stützstruktur verwendet, auf der das Ausgangsmaterial für den mindestens einen Teil des Unterbaus durch das additive Verfahren in der Regel schichtweise aufgetragen wird, wobei die Stützstruktur in den mindestens einen Teil des herzustellenden Unterbaus integriert und als Komponente dessen ausgebildet wird. Ansonsten wird der mindestens eine Teil des Unterbaus auf mindestens einem als Ablage ausgebildeten Träger angeordnet, wobei die Ablage als Komponente eines Werkzeugs, bspw. einer Fertigungseinrichtung, ausgebildet ist.
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Außerdem wird der mindestens eine Teil des Unterbaus erwärmt, wenn auf dessen Oberfläche die mindestens eine Schicht aus Clay aufgetragen wird.
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Weiterhin ist es möglich, dass beim Herstellen des mindestens einen Teils des Unterbaus mindestens ein elektrisches bzw. elektronisches und/oder mechanisches Bauteil, bspw. ein elektromechanisches Bauteil oder elektrisch leitfähige Tinte oder ein elektrisch leitfähiges Filament, integriert wird.
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In Ausgestaltung ist es ebenfalls möglich, dass mindestens ein Abschnitt der mindestens einen Schicht aus Clay, nachdem sie auf der Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus aufgetragen ist, bearbeitet bzw. nachbearbeitet wird, bspw. verformt und/oder durch ein materialabtragendes, bspw. clayabtragendes Verfahren entfernt wird. Auch hier ist es möglich, die mindestens eine Schicht und/oder den mindestens einen Teil des Unterbaus zu erwärmen, wobei die mindestens eine Schicht und/oder der mindestens eine Teil des Unterbaus mindestens auf eine Temperatur zu erwärmen ist, die größer als eine Übergangstemperatur des Clays ist, wobei der Clay oberhalb der Übergangstemperatur plastisch verformbar und darunter fest ist. Allerdings ist bei einem Abtragen von Clay zu berücksichtigen, dass dieser ausreichend kühl ist, um ein Werkzeug zum Abtragen des Clays nicht zu verschmieren.
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Weiterhin wird an der, bspw. auf der und/oder in der Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus mindestens ein Haftmittel für die mindestens eine Schicht aus Clay integriert.
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Das mindestens eine Haftmittel für die mindestens eine Schicht aus Clay ist bspw. als Strukturierung der Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus ausgebildet. Dabei ist es möglich, dass eine derartige Struktur bspw. als Unebenheit der Oberfläche ausgebildet ist, wobei eine derartige Struktur in Ausgestaltung Rillen, Noppen oder V-förmige Vertiefungen, die wie Widerhaken wirken, aufweist. Es ist jedoch auch möglich, dass beim Herstellen des mindestens einen Teils des Unterbaus in dessen Oberfläche Löcher als Strukturen integriert werden. Dabei ist es möglich, dass eine jeweils aufzutragende Schicht aus Clay in derartige Strukturen der Oberfläche eindringt und an der Oberfläche verankert wird. Es ist ebenfalls möglich, auf der Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus als Haftmittel für die mindestens eine Schicht aus Clay eine Grundierung aufzutragen. Weiterhin ist es möglich, die Oberfläche durch chemische Substanzen aufzurauen und/oder mit einem Bindemittel für Clay zu versehen.
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In möglicher Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, dass einige der voranstehend genannten Schritte variabel in unterschiedlichen Reihenfolgen durchführbar sind. So ist es bspw. möglich, nachdem die mindestens eine Schicht aus Clay auf der Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus aufgetragen worden ist, eine Herstellung des Unterbaus fortzusetzen, und dabei den mindestens einen Teil des Unterbaus durch einen weiteren Teil zu ergänzen. In diesem Fall wird auf dem mindestens einen Teil des Unterbaus, wobei sich auf mindestens einem Abschnitt der Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus bereits die mindestens eine Schicht aus Clay befindet, auf diesem mindestens einen Teil des Unterbaus unter Fortsetzung des additiven Verfahrens weiterhin Ausgangsmaterial für den Unterbau aufgetragen wird. Danach ist es möglich, auf dem mindestens einen ergänzten und/oder vergrößerten Teil des Unterbaus mindestens eine weitere Schicht aus Clay aufzutragen.
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Es ist möglich, das vorgestellte Verfahren unter Verwendung mindestens einer primären Fertigungseinrichtung und mindestens einer sekundären Fertigungseinrichtung sowie einer Recheneinheit rechnergestützt zu kontrollieren und somit zu steuern und/oder zu regeln. Dabei werden die mindestens eine primäre Fertigungseinrichtung zum Herstellen des mindestens einen Teils des Unterbaus und die mindestens eine sekundäre Fertigungseinrichtung zum Herstellen der mindestens einen Schicht aus Clay verwendet. Das herzustellende Modell bzw. ein in der Herstellung befindlicher Rohling wird in möglicher Ausgestaltung zwischen unterschiedlichen Fertigungseinrichtungen hin und her transportiert, falls bspw. vorgesehen ist, den mindestens einen Teil des Unterbaus aus der mindestens einen primären Fertigungseinrichtung der mindestens einen sekundären Fertigungseinrichtung bereitzustellen und mit dieser die mindestens eine Schicht aus Clay auf den mindestens einen Teil des Unterbaus aufzutragen. Danach ist es möglich, den mindestens einen Teil des Unterbaus mit der mindestens einen darauf aufgetragenen Schicht aus Clay der mindestens einen primären Fertigungseinrichtung zuzuführen und durch das additive Verfahren mindestens einen ersten Teil des Unterbaus durch mindestens einen weiteren Teil des Unterbaus zu ergänzen.
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Unabhängig davon, in welcher Reihenfolge einzelne Schritte zum Fertigen des mindestens einen Teils des Unterbaus und/oder der mindestens einen Schicht aus Clay durchgeführt werden, ist es möglich, den mindestens einen Teil des Unterbaus additiv bzw. generativ zu ergänzen. Es ist ebenfalls möglich, mindestens eine bereits aufgetragene Schicht aus Clay in einem nachfolgenden Schritt durch mindestens eine weitere Schicht aus Clay additiv bzw. generativ zu ergänzen. Dabei ist bzw. sind vor Auftragen einer weiteren neuen Schicht aus Clay eine darunter liegende, bereits aufgetragene Schicht aus Clay und/oder der Unterbau zu erwärmen, um eine Haftung der neuen Schicht aus Clay zu verbessern.
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Mit dem Verfahren ist es u. a. möglich, ein Modell herzustellen, das einen kompakten einheitlichen bzw. homogenen Unterbau und mindestens eine darauf aufgetragene kompakte bzw. homogene Schicht aus Clay aufweist. Somit ist es bspw. nicht mehr erforderlich, beim Herstellen eines Modells zunächst einzelne Komponenten des Modells zu fertigen und diese dann zusammenzusetzen.
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Beim Herstellen des Modells ist weiterhin vorgesehen, eine Beschaffenheit einer Oberfläche des Modells, wobei die Oberfläche des Modells der Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus und/oder einer Oberfläche der mindestens einen Schicht aus Clay entspricht, durch einen bspw. optischen Sensor zu erfassen. In der Regel ist vorgesehen, dass für eine Form und somit eine Beschaffenheit für den mindestens einen Teil des Unterbaus Soll-Werte vorgegeben sind. Während dem Herstellen werden IstWerte der Beschaffenheit der Oberfläche des herzustellenden Modells sensorisch erfasst und mit den hierfür vorgesehenen Soll-Werten verglichen, wobei eine jeweils vorliegende Oberfläche des Modells durch ein additives bzw. generatives Verfahren ergänzt wird. Es ist jedoch auch möglich, das Modell durch Verformen und/oder Abtragen von Material, bspw. von Clay, zu verändern und an vorgesehene Soll-Werte anzupassen.
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Das im Rahmen des Verfahrens herstellbare Modell dient üblicherweise als Modell für eine technische Vorrichtung, wobei mit diesem Modell ein Aussehen der Vorrichtung real darstellbar ist. Eine derartige durch das Modell darstellbare Vorrichtung ist bspw. als Komponente eines Fahrzeugs, üblicherweise eines Kraftfahrzeugs, ausgebildet. Dabei handelt es sich bei einer derartigen Vorrichtung bzw. Komponente des Fahrzeugs um mindestens ein Teil einer Karosserie oder einer Innenverkleidung des Fahrzeugs.
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Das erfindungsgemäße System ist zum Herstellen eines Modells ausgebildet und weist mindestens eine primäre Fertigungseinrichtung und mindestens eine sekundäre Fertigungseinrichtung auf. Die mindestens eine primäre Fertigungseinrichtung ist dazu ausgebildet, durch ein additives bzw. generatives Verfahren mindestens einen Teil eines Unterbaus für das herzustellende Modell herzustellen. Die mindestens eine sekundäre Fertigungseinrichtung ist dazu ausgebildet, auf einer Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus durch ein additives Verfahren mindestens eine Schicht aus Clay aufzutragen.
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Die mindestens eine primäre und/oder sekundäre Fertigungseinrichtung ist als 3D-Druckeinrichtung ausgebildet.
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Dabei ist es möglich, dass zwei unterschiedliche Fertigungseinrichtungen voneinander unabhängig sowie räumlich getrennt in unterschiedlichen Stationen bzw. in unterschiedlichen Gehäusen derartiger Stationen angeordnet sind. Es ist auch denkbar, dass in mindestens einer derartigen Station des Systems bzw. in deren Gehäuse mindestens eine primäre Fertigungseinrichtung sowie mindestens eine sekundäre Fertigungseinrichtung angeordnet sind und eine gemeinsame Fertigungseinrichtung bilden. Somit ist es möglich, den mindestens einen Teil des Unterbaus zumindest teilweise additiv und/oder generativ herzustellen, auf mindestens einem Abschnitt der Oberfläche dieses mindestens einen Teils mindestens eine Schicht aus Clay aufzutragen und danach den mindestens einen Teil des Unterbaus weiterhin durch additives und/oder generatives Auftragen von Ausgangsmaterial für den mindestens einen Teil des Unterbaus zu ergänzen. Es ist weiterhin alternativ oder ergänzend möglich, dass der mindestens eine Teil des Unterbaus additiv und/oder generativ hergestellt wird und währenddessen auf mindestens einem Abschnitt der bereits zumindest teilweise herstellten Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus die mindestens eine Schicht aus Clay additiv und/oder generativ aufgetragen wird.
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Das System weist mindestens ein Transporteinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, das herzustellende bzw. in einer Herstellung befindliche Modell bzw. einen Rohling für das Modell, der zumindest den mindestens einen Teil des Unterbaus und ggf. die mindestens eine darauf aufgetragene Schicht aus Clay umfasst, zwischen zwei Fertigungseinrichtungen zu transportieren.
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Im Rahmen einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Modell aus dem Unterbau und mindestens einer darauf befindlichen Schicht aus Clay hergestellt. Dabei ist vorgesehen, den Unterbau, d. h. den mindestens einen Teil des Unterbaus, anhand von CAD-Daten automatisiert herzustellen, wobei vorgesehen ist, dass der Unterbau bereits geometrische Besonderheiten des herzustellenden Modells aufweist. Die mindestens eine Schicht aus Clay wird auf zumindest einem Abschnitt der Oberseite bzw. Oberfläche des Unterbaus anhand von CAD-Daten aufgetragen. Hierbei ist vorgesehen, den Unterbau bzw. den mindestens einen Teil mit einem additiven Verfahren, üblicherweise einem 3D-Druckverfahren herzustellen. Es ist ebenfalls möglich, dass der Unterbau eine Stützstruktur aufweist, die bspw. als schalenähnliche, rippenverstärkte Stützstruktur ausgebildet ist. Die Oberfläche des Unterbaus wird zumindest teilweise mit einer profilierten Struktur versehen. Weiterhin wird die mindestens eine Schicht aus Clay ebenfalls durch ein additives Verfahren, bspw. ein 3D-Druckverfahren, auf der Oberfläche des Unterbaus aufgetragen. Hierbei ist es möglich, das Material zum Herstellen der mindestens einen Schicht aus Clay vor dem Auftragen auf der Oberseite des Unterbaus mindestens auf die Übergangstemperatur zu erwärmen. Abschließend ist es möglich, die mindestens eine Schicht aus Clay, nachdem sie auf eine Temperatur unterhalb der Übergangstemperatur abgekühlt und ausgehärtet ist, mit einem Werkzeug, bspw. einem robotergeführten Fräswerkzeug, anhand von CAD-Daten materialabtragend nachzubearbeiten. Eine materialabtragende Nachbearbeitung ist jedoch auch möglich, wenn die Temperatur der mindestens einen Schicht aus Clay größer als die Übergangstemperatur ist.
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Im Rahmen des Verfahrens wird der Unterbau für das herzustellende Modell bzw. Design-Modell durch ein 3D-Druckverfahren und/oder ein additives Fertigungsverfahren hergestellt, wobei auf der Oberfläche des Unterbaus nachträglich die Schicht aus Clay aufgetragen wird, wobei es möglich ist, diese Schicht aus Clay später nachzubearbeiten.
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Durch Vorsehen des 3D-Druckverfahrens und/oder additiven Verfahrens zum Herstellen des Unterbaus, ist es möglich, bei dessen Herstellung geometrische Besonderheiten zu berücksichtigen. Dabei wird der Unterbau durch die mindestens eine primäre 3D-Druckeinrichtung automatisch hergestellt. Danach ist es möglich, den Unterbau hochautomatisiert oder vollautomatisch zu der mindestens einen sekundäre 3D-Druckeinrichtung zu transportieren, die dazu ausgebildet ist, durch ein weiteres 3D-Druckverfahren und/oder additives Verfahren auf dem Unterbau die mindestens eine Schicht aus Clay aufzutragen. Ergänzend ist es möglich, dass die mindestens eine Schicht aus Clay anschließend, bspw. unter Nutzung von manuellen und/oder automatischen Werkzeugen sowie unter Berücksichtigung von aktuellen CAD-Daten, zu befräsen. Dabei ist es möglich, mehrere Werkzeuge bzw. Maschinen als Komponenten des Systems zu verwenden, die untereinander auswechselbar sind.
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Da das Modell aus dem Unterbau und der mindestens einen Schicht aus Clay maschinell und/oder automatisch hergestellt wird, ist es möglich, eine Fehlerquote sowie Herstellungskosten zu verringern. Außerdem ist es möglich, einen Materialverbrauch zu reduzieren. Durch Kombination von automatisierten Arbeitsschritten ist es möglich, auf manuelle Fertigungsschritte zu verzichten. Außerdem ist es möglich, mehrere Modelle und/oder Teile derartiger Modelle parallel herzustellen. Weiterhin ist es möglich, in den Unterbau Befestigungsgeometrien für den aufzutragenden Clay einzuarbeiten. Das gesamte Modell ist durch ein hochautomatisiertes Verfahren herstellbar. Auf Grundlage einer Optimierung einer Topologie des Modells ist es möglich, neben Material auch Gewicht einzusparen. Außerdem werden eine Präzision und eine Passung des Modells erhöht. Weiterhin ist es möglich, am Modell Platz einzusparen, wodurch Arbeiten am Modell erleichtert werden. Aufgrund eines geringen Gewichts und einer kürzeren Verladezeit sind Transportkosten für das Modell einzusparen. Aufgrund des geringen Gewichts sinkt auch ein Verletzungsrisiko, das ansonsten aufgrund von Quetschungen durch schwere Bauteile gegeben ist. Insgesamt wird eine Belastung eines Bewegungsapparats von Mitarbeitern reduziert. In Ausgestaltung ist es möglich, dass der Unterbau zumindest abschnittsweise auch manuell mit Clay beschichtet wird, wodurch Fräszeiten und damit einhergehende Verschmutzungen in einem Arbeitsbereich entfallen.
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Der Clay, der auf die Oberfläche des mindestens einen Teils des Unterbaus zu drucken ist, wird in Ausgestaltung auf die Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur erwärmt bzw. erhitzt und somit elastisch formbar gemacht, wodurch es möglich ist, eine Form der Schicht aus Clay ohne spanende Bearbeitung anzupassen.
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Außerdem ist es möglich, in das Modell, d. h. in den Unterbau und/oder in die Schicht aus Clay funktionale Bauteile, d. h. elektrische, mechanische und/oder elektromechanische Bauteile, bspw. Leiterbahnen oder Sensoren automatisch und/oder manuell einzubringen. Ein Freihalten von Kabelkanälen ist auch möglich. Es ist auch möglich, mehrere Arbeitsgänge, bspw. ein additives Drucken des Unterbaus, einen Auftrag von Clay, ein additives Drucken, einen weiteren Auftrag von Clay sowie ein Fräsen der Schicht aus Clay aneinanderzureihen und zu kombinieren. Außerdem ist es möglich, beim Herstellen des Modells eine Form einer jeweils aktuellen Oberfläche des Modells abzuscannen und somit sensorisch zu erfassen und auf der vorhandenen Oberfläche, nachdem deren Form erfasst wurde, zusätzlich Clay aufzutragen.
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Der Unterbau für das herzustellende Modell wird mit einer CAD-Software konstruiert und mit nötigen Geometrien sowie einem nötigen Offset versehen. Informationen zu diesem Unterbau werden an eine Abteilung zum Herstellen des Modells digital geliefert. In dieser Abteilung wird entschieden, welcher mindestens eine Teil des Modells durch ein 3D-Druckverfahren und/oder ein additives Verfahren herstellbar ist, wobei eine vorgesehene Konstruktion entsprechend ausgelegt wird. Anschließend werden die Daten für den mindestens einen Teil an mindestens eine 3D-Druckeinrichtung übermittelt. Danach wird das Modell mit dem additiven Druckverfahren hergestellt.
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Hierbei ist es möglich, dass eine Ausführungsform des Systems verwendet wird, das mindestens einen primären 3D-Druckkopf zum Herstellen des Unterbaus aus Kunststoff oder Metall aufweist. Außerdem umfasst dieses System einen Extruder zum Bereitstellen des Clays und mindestens einen zweiten 3D-Druckkopf zum Auftragen des Clays auf mindestens einen bereits gefertigten Abschnitt der Oberfläche des Unterbaus, wobei dieser mindestens eine Abschnitt mit Clay bedruckt wird. Somit ist es möglich, eine Fertigungseinrichtung des Systems, die mindestens eine primäre und die mindestens eine sekundäre Fertigungseinrichtung aufweist, als ein Gerät auszubilden. Alternativ ist es möglich, dass das System die mindestens eine primäre Fertigungseinrichtung und die mindestens eine sekundäre Fertigungseinrichtung aufweist, die voneinander physisch bzw. räumlich getrennt sind. Nachdem der Unterbau in der mindestens einen primären Fertigungseinrichtung hergestellt wurde, wird der Unterbau zu der mindestens einen sekundären Fertigungseinrichtung transportiert und dort mit Clay bedruckt. Dabei ist es möglich, den Unterbau mit einem Roboter, mit einem fix verbauten Beförderungsmechanismus oder manuell zu transportieren.
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Im Rahmen des Verfahrens ist vorgesehen, den Clay auf dem Unterbau gleichmäßig und ohne Einschlüsse, d. h. Einschlüsse von Luft oder Einschlüsse durch Verunreinigungen, aufzutragen. Hierbei ist es möglich, den Unterbau zum Auftragen des Clays zu erwärmen bzw. zu erhitzen und/oder mit Hilfsgeometrien, bspw. kleinen Löchern, Rillen, Dübeln oder Unebenheiten, als mögliche Haftmittel zu versehen, durch die eine Haftung des Clays auf dem Unterbau verbessert wird.
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Weiterhin ist es möglich, eine Oberfläche der Schicht aus Clay bei einer Erstbearbeitung mit einem Fräsroboter zu bearbeiten. Es ist auch möglich, im Rahmen des Verfahrens auf dem Unterbau mehrmals Clay aufzutragen sowie mehrere Durchläufe eines Druckens des Unterbaus und eines Auftragens des Clays vorzusehen. Dabei ist es möglich, das teilweise gefertigte Modell wieder in die mindestens eine primäre Fertigungseinrichtung zu überführen, um deren Auslastung zu erhöhen.
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Es ist auch möglich, den durch das 3D-Druckverfahren herzustellenden mindestens einen Teil des Unterbaus durch weitere additive oder subtraktive Verfahren zu verfeinern und hierbei den Unterbau mit elektrisch leitenden Materialien zu bedrucken. Somit ist es möglich, spätere Funktionen des Modells bereits bei dessen Herstellung in dieses zu integrieren. Nach Herstellen des verfeinerten Unterbaus wird auf diesem der Clay aufgetragen.
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In weiterer Ausgestaltung ist es möglich, den Unterbau durch eine Stützstruktur zu versteifen, wobei die Stützstruktur auch bei einer Veränderung, wenn bspw. ein Teil daraus herausgeschnitten und somit entfernt wird, stabil bleibt. Die vorgesehene Stützstruktur weist einerseits ein geringes Gewicht und andererseits eine hohe Steifigkeit auf.
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Die Stützstruktur des Unterbaus bzw. eine entsprechende Versteifungsgeometrie ist über einen Algorithmus herstellbar. Weiterhin werden eine Art des Ausgangsmaterials zum Herstellen des Unterbaus, dessen Zusammensetzung, eine Richtung, aus der es aufgetragen wird, sowie dessen Stärke bzw. Schichtdicke berücksichtigt. Zum Herstellen des Unterbaus wird in Ausgestaltung Ausgangsmaterial, in der Regel Kunststoff, verwendet, das aus Filamenten und/oder Granulaten herstellbar ist, die bspw. hinsichtlich einer Ausdehnung, Haftfähigkeit und/oder Bearbeitbarkeit ähnliche physikalische Eigenschaften wie der Clay aufweisen. Dabei ist es möglich, zum Herstellen ein auxetisches Material zu verwenden, das über seine geometrische Form und/oder Verformbarkeit definiert ist.
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In einer Variante ist es vorgesehen, in den Unterbau und in die Versteifungsgeometrie diverse Mess- und Befestigungspunkte zu integrieren. Ebenfalls ist es möglich, in den Unterbau Scharniere oder Klappen als funktionelle Bauteile zu integrieren, um somit an dem Unterbau ein weiteres Bauteil zu befestigen und/oder etwaige Funktionen darzustellen.
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Weiterhin ist es möglich, den Unterbau aus unterschiedlichen Materialien herzustellen. Dabei sind unterschiedliche Schichten mit unterschiedlicher Dicke durch Material in unterschiedlicher Farbe herstellbar. Falls bspw. ein Loch in den Unterbau gebohrt wird, ist anhand einer Farbe zu erkennen, wie tief dieses ist. Für den Unterbau sind verschiedene bspw. elastisch verformbare oder gummiartige Kunststoffe für bewegliche Teile verwendbar.
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Der Unterbau wird weiterhin auf eine strukturelle Stabilität und Nachbearbeitbarkeit ausgelegt, so dass es möglich ist, Teilbereiche des Unterbaus wieder zu entfernen. Zum Verbessern einer Haftfähigkeit des Clays auf dem Unterbau ist es möglich, auf dem Unterbau bzw. auf der Oberfläche des Unterbaus als Haftmittel eine Grundierung aufzutragen.
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Hierdurch wird eine Möglichkeit eines Einsatzes von Materialien für den Unterbau erweitert. Es ist ebenfalls möglich, den Unterbau mit Materialien, bspw. nachhaltigen Materialien, bspw. Holzfaserfilamenten, zu füllen.
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Der Unterbau wird in Ausgestaltung durch ein mehrschichtiges Aufbauverfahren hergestellt. Hierbei ist es möglich, für die Oberfläche des Unterbaus einen faserverstärkten Kunststoff zu verwenden, wohingegen für die Stützstruktur Kunststoffe und/oder Schäume verwendet werden. Eine Haftung des Clays auf der Oberfläche des Unterbaus ist durch eine spezielle Struktur der Oberfläche zu erhöhen. Außerdem ist es möglich, in den Unterbau Sollbruchstellen einzuarbeiten, über die optionale Bauteile wieder entfernbar sind. Somit ist es möglich, bspw. ein vollständiges Modell einer Tür eines Fahrzeugs herzustellen, das bereits einen Türgriff, eine Türtasche und/oder einen Zuziehgriff aufweist. Es besteht auch die Möglichkeit, in einem Arbeitsschritt Bauteile in unterschiedlichen Qualitätsstufen herzustellen, wodurch bspw. Details wie der Zuziehgriff, ein Lautsprechergitter oder Knöpfe berücksichtigt werden können. Es ist auch möglich, ein komplettes Bauteil in einem Arbeitsschritt mit einem hinterschnittenen Hohlraum herzustellen. Zum Integrieren einer Funktion in den Unterbau sind in diesen unterschiedliche Materialien, bspw. elektrische Leiterbahnen oder transparente Kunststoffe, einzuarbeiten. Der Unterbau ist auch durch Auftragen von Hartschaum herstellbar.
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Das Modell ist einfach zu recyceln, da sämtliche Daten zu dessen Beschaffenheit bekannt sind und digital gespeichert vorliegen. Weiterhin ist es möglich, an dem Modell durch nachträgliches Umbauen, bspw. kleinere Änderungen vorzunehmen.
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Auch die Schicht aus Clay ist durch gezielten Materialauftrag auf der Oberfläche des Unterbaus aufzutragen, wobei für die Schicht eine präzise Dicke mit einem geringen Gewicht bereitstellbar ist. Dabei ist es weiterhin möglich, den Clay durch eine angepasste Bewegung eines 3D-Druckkopfs und/oder eines Extruders der mindestens einen primären Fertigungseinrichtung aufzutragen, wobei der 3D-Druckkopf und/oder Extruder translatorisch in drei Richtungen, d. h. x, y und z bewegbar ist. Es ist ebenfalls möglich, den 3D-Druckkopf und/oder Extruder um seine eigene Achse zu drehen, wodurch eine maximale Haftung des Clays bei einem minimalen Lufteinschluss zu erzielen ist. Beim Auftragen des Clays, in der Regel beim Vorbereiten des Auftragens des Clays, ist es möglich, den Unterbau unter Nutzung von Heißluft, Infrarotstrahlung, Laserstrahlung oder durch Erhöhen einer Temperatur in der Fertigungseinrichtung zu erhitzen, wodurch die Haftung des Clays ebenfalls zu verbessern ist. Außerdem wird eine Beschaffenheit der Oberfläche des Unterbaus und/oder mindestens einer bereits aufgetragenen Schicht aus Clay durch einen Sensor, bspw. optisch oder durch Radar, vor und nach einem Auftragen einer Schicht aus Clay überprüft, um etwaige Fehler oder Hohlräume zu entdecken. Es ist ebenfalls möglich, die mindestens eine Schicht aus Clay bereits aufzutragen, solange ein Drucken des Unterbaus noch im Gang ist. Es ist auch möglich, Clay gleichzeitig auf mehreren und verschiedenartigen Teilen des Unterbaus aufzutragen. Zum Integrieren von Mess- und Befestigungsstellen werden in dem Unterbau Aussparungen vorgesehen. Durch einen variablen Auftrag des Clays ist es möglich, Details, d. h. Muster, Nähte und/oder Strukturen, darzustellen, was bei entsprechender Auflösung allein durch den Auftrag des Clays möglich ist.
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Ergänzend ist es möglich, die aus der mindestens einen Schicht aus Clay gebildete Oberfläche des Modells ohne erneutes Einmessen spanend zu bearbeiten. Das Herstellen des Modells ist vollautomatisch, bspw. über Nacht möglich, ohne dass hierfür Mitarbeiter erforderlich sind. Da weiterhin ein vollständig digitales Abbild des Modells gespeichert ist, ist bei einer Demontage des Modells eine saubere Trennung der verwendeten Materialien möglich, wodurch das Modell vollständig recycelbar ist. Material, das für ein Modell verwendet wurde, ist nach dessen Recycling für ein weiteres Modell verwendbar.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.
- 1 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems bei Durchführung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 2 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems bei Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 3 zeigt in schematischer Schnittdarstellung ein Detail einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems bei Durchführung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 4 zeigt in schematischer Darstellung Details eines Modells, das mit einer Ausführungsform des Verfahrens hergestellt wurde.
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
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1 zeigt in schematischer Darstellung mehrere Komponenten der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems, nämlich zweimal eine als 3D-Drucker ausgebildete erste bzw. primäre Fertigungseinrichtung 4 sowie zweimal eine als 3D-Drucker ausgebildete zweite bzw. sekundäre Fertigungseinrichtung 6, wobei diese beiden Fertigungseinrichtungen 4, 6 gemäß einem Ablauf der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in 1 nebeneinander dargestellt sind.
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Dabei umfasst die erste Fertigungseinrichtung 4 eine Ablage 8 als Träger und einen 3D-Druckkopf 10. Mit diesem 3D-Druckkopf 10 wird durch ein additives bzw. generatives Fertigungsverfahren auf dem Träger schichtweise Ausgangsmaterial übereinander aufgetragen, aus dem im Laufe der Zeit ein Unterbau 12 gebildet wird.
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Sobald dieser Unterbau 12 fertig hergestellt ist, wird er von der ersten Fertigungseinrichtung 4 zu der zweiten Fertigungseinrichtung 6 transportiert, die ebenfalls eine Ablage 14 als Träger und einen 3D-Druckkopf 16 aufweist. Mit dem 3D-Druckkopf wird auf einer Oberfläche des Unterbaus 12 ebenfalls durch ein additives bzw. generatives Verfahren mindestens eine Schicht 18 aus Clay aufgetragen.
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Danach wird ein Rohling, der den Unterbau 12 und die mindestens eine Schicht 18 aus Clay aufweist, zu einer weiteren Station des Systems 2 transportiert, die hier als automatische Fräsmaschine 20 ausgebildet ist, und ebenfalls eine Ablage 22 als Träger für den Rohling aufweist. Außerdem weist die Fräsmaschine 20 ein Fräsmodul 24 mit einem materialabtragenden Werkzeug auf. Dabei ist dieses Fräsmodul 24 dazu ausgebildet, mindestens eine Schicht 18 aus Clay durch Fräsen zu bearbeiten und dabei mindestens einen Teil des zuvor additiv aufgetragenen Clays der Schicht 18 wieder zu entfernen, wobei eine modifizierte Schicht 26 aus Clay hergestellt wird. Dabei wird auch das mit dem Verfahren herzustellende Modell 28 endgültig hergestellt.
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1b zeigt weiterhin eine Stützstruktur 30 des Unterbaus 12, die hier eine Befestigungsgeometrie sowie Versteifungen aufweist. 1c zeigt das im Rahmen der Ausführungsform des Verfahrens herstellte Modell 28 sowie ein weiteres Modell 32, in das das Modell 28 modular einsetzbar ist.
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Die in 2 schematisch dargestellte zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems 40 umfasst eine primäre als 3D-Drucker ausgebildete Fertigungseinrichtung sowie eine sekundäre als 3D-Drucker ausgebildete Fertigungseinrichtung, die hier eine gemeinsame Fertigungseinrichtung 42 bilden und/oder in einer gemeinsamen Station angeordnet sind. Dabei weist die gemeinsame Fertigungseinrichtung 42 eine Ablage 44 als Träger, einen primären 3D-Druckkopf 46 als Komponente der primären Fertigungseinrichtung und einen sekundären 3D-Druckkopf 48 als Komponente der primären Fertigungseinrichtung auf.
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Der primäre 3D-Druckkopf 48 ist dazu ausgebildet auf dem Träger ein Ausgangsmaterial schichtweise additiv aufzutragen und dabei einen Unterbau 50 für ein herzustellendes Modell zu erstellen. Danach wird mit dem sekundären 3D-Druckkopf 48 auf einer Oberfläche des Unterbaus 50 mindestens eine Schicht 60 aus Clay additiv und/oder generativ aufgetragen. Hierbei ist vorgesehen, dass der Unterbau 50 auf eine Temperatur erwärmt wird, die größer als eine Übergangstemperatur des aufzutragenden Clays ist. Dabei wird berücksichtigt, dass der Clay plastisch verformbar ist, wenn dessen Temperatur größer als die Übergangstemperatur ist, und dass der Clay fest bzw. ausgehärtet ist, wenn dessen Temperatur geringer als die Übergangstemperatur ist. Hierbei ist auch vorgesehen, dass die Temperatur des Clays, der aus dem 3D-Druckkopf 48 aufgetragen wird, größer als die Übergangstemperatur ist.
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3 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für eine sekundäre Fertigungseinrichtung 70 der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems, die hier als Teil eines Roboters 72 ausgebildet ist und eine in drei Raumrichtungen bewegbare Halterung 74 sowie einen ebenfalls in drei Raumrichtungen bewegbaren 3D-Druckkopf 76 aufweist.
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3 zeigt einen bereits gefertigten Unterbau 78 eines herzustellenden Modells, wobei dieser Unterbau 78 in der Halterung 74 angeordnet ist. Außerdem wird mit dem 3D-Druckkopf 76 auf dem Unterbau mindestens eine Schicht 80 aus Clay aufgetragen. Diese sekundäre Fertigungseinrichtung 17 umfasst hier auch zwei optische Sensoren 82, 84, mit denen ein additives und/oder generatives Auftragen der mindestens einen Schicht 80 aus Clay auf der Oberfläche des Unterbaus 78 überwacht wird. Hierbei ist vorgesehen, dass eine Form der mindestens einen Schicht 80 durch ein CAD-Modell vorgegeben ist. Ein aktueller Zustand der mindestens einen Schicht 80 aus Clay, wobei dieser Zustand durch mindestens einen Ist-Wert definierbar ist, wird mit einem vorgesehenen zu erzielenden Zustand verglichen, der durch mindestens einen Soll-Wert definiert ist. Aufgrund eines Unterschieds zwischen den mindestens einen Soll-Wert und dem mindestens einen Ist-Wert ist es möglich, ein Auftragen des Clays auf der Oberfläche des Unterbaus 78 zu kontrollieren und somit zu steuern und/oder zu regeln.
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4a zeigt ein erstes Detail eines Modells 90, das mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt worden ist. 4b zeigt ein weiteres Detail dieses Modells 90 aus einer zweiten Perspektive. Dieses Modell 90 umfasst als Komponenten eine Stützstruktur 92, auf der unter Durchführung eines additiven bzw. generativen Verfahrens ein Unterbau 94 aus Harzschaum aufgetragen worden ist. Dabei wurden während einer Herstellung des Unterbaus 94 aus Hartschaum in diesen zwei hier als Scharniere ausgebildete funktionelle Bauteile 96 integriert. Nach Abschluss des Herstellung des Unterbaus 94 wurde durch ein weiteres additives und/oder generatives Verfahren auf einer Oberfläche des Unterbaus 94 mindestens eine Schicht 98 aus Clay aufgetragen, der nachfolgend ausgehärtet wurde. Das in den 4a und 4b schematisch dargestellte Modell 90 stellt eine Tür eines Fahrzeugs dar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2015/189600 A2 [0005]
- CN 104589466 A [0006]
- CN 205258328 U [0007]
