-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mittels eines 3D-Druckverfahrens.
-
Die Erfindung betrifft auch eine Fertigungsvorrichtung mit einer 3D-Druckvorrichtung, die mindestens eine Druckeinheit aufweist.
-
3D-Druck Verfahren sind als generative Fertigungsverfahren zur Herstellung von Werkstücken in der Industrie bekannt. Bei bekannten 3D-Druck Verfahren werden dreidimensionale Werkstücke schichtweise aus einem flüssigen oder festen Werkstoff aufgebaut, wobei typischerweise physikalische oder chemische Härtungs- bzw. Schmelzprozesse stattfinden. Als Werkstoffe für den 3D-Druck können beispielweise Kunststoffe, Kunstharze oder Metalle verwendet werden. Bekannte 3D-Druckverfahren sind unter anderem „Multi Jet Modeling“ oder auf dem Prinzip der Schmelzschichtung basierende Verfahren wie z.B. „Fused Deposition Modeling“ oder „Fused Filament Fabrication“.
-
Bei Werkstücken, die mittels bekannter 3D-Druck Verfahren hergestellt werden, ist nach dem 3D-Druck unter bestimmten Voraussetzungen eine Nachbearbeitung erforderlich, beispielsweise um das Werkstück mit den für eine bestimmte Anwendung gewünschten Eigenschaften auszustatten.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit definierten Eigenschaften bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, wobei mittels des 3D-Druckverfahrens eine Druckkomponente auf ein dreidimensionales Bauteil aufgebracht wird. Derart können die Vorteile des generativen Fertigungsverfahrens 3D-Druck wie Schnelligkeit, hohe Flexibilität und geringe Kosten mit den speziellen Eigenschaften eines vorliegenden Bauteils verbunden werden. Strukturelle Anforderungen können auf das Werkstück übertragen werden ohne dass hierfür eine Nachbearbeitung des Werkstücks nach dem 3D-Druck erforderlich ist.
-
Mit Vorteil kann zwischen der Druckkomponente und dem dreidimensionalen Bauteil eine formschlüssige Verbindung hergestellt werden. Ein derartiger Formschluss kann beispielsweise durch Umdrucken des Bauteils hergestellt werden und ist verfahrenstechnisch günstig zu realisieren. Somit kann ein sicherer Zusammenhalt des Bauteils und der Druckkomponente gewährleistet werden.
-
Es kann zweckmäßig sein, wenn zwischen der Druckkomponente und dem dreidimensionalen Bauteil eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung kann das das dreidimensionale Bauteil mittels einer Handhabungsvorrichtung bewegt werden. Derart können beispielsweise verhältnismäßig komplexe räumliche Strukturen auf das Bauteil gedruckt werden, die das Bauteil vorzugsweise auf mehreren Seiten umgeben.
-
Die Flexibilität und die Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens können erweitert werden, wenn mindestens eine Druckeinheit mittels einer Handhabungsvorrichtung bewegt werden kann.
-
Vorzugsweise kann die Druckkomponente auf ein Bauteil mit materialfreien Bereichen, insbesondere Hohlräumen und/oder Kanälen, aufgebracht werden. Ein solches Bauteil kann beispielsweise ein Rohr, auch ein Glasrohr, und allgemein ein Bauteil zum Führen von Medien sein, wie sie in der Applikationstechnik zum Auftragen von Beschichtungen verwendet werden.
-
Es ist technisch günstig, wenn eine Druckkomponente aus Kunststoff, insbesondere aus Polyoxymethylen, Kunstharz oder Metall aufgebracht wird.
-
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Fertigungsvorrichtung mit einer mindestens eine Druckeinheit aufweisenden 3D-Druckvorrichtung, wobei die Fertigungsvorrichtung mindestens eine Haltevorrichtung für ein dreidimensionales Bauteil aufweist, wobei die Haltevorrichtung und die Druckeinheit relativ zueinander beweglich angeordnet sind, und wobei die Fertigungsvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Erfindung oder einer ihrer Ausgestaltungen ausgebildet ist. Bei einer Relativbewegung der Haltevorrichtung und der Druckeinheit können diese jeweils linear und/oder rotatorisch bewegt werden, wobei diese Bewegungsarten auch jeweils überlagert werden können.
-
Wesentliche Vorteile der Fertigungsvorrichtung ergeben sich analog zu den Vorteilen des Verfahrens.
-
Mit Vorteil kann die 3D-Druckvorrichtung eine Handhabungseinrichtung zum Bewegen des Bauteils aufweisen. Derart können beispielsweise verhältnismäßig aufwendige Druckkomponenten, z.B. in Form einer das Bauteil umgebenden Kontur, auf das Bauteil aufgedruckt werden.
-
Es kann zweckmäßig sein, wenn die 3D-Druckvorrichtung eine Handhabungseinrichtung zum Bewegen der Druckeinheit aufweist. Derart kann beispielsweise die Gestaltungsfreiheit beim Bedrucken des Bauteils weiter erhöht werden.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Dabei werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, ohne hierauf beschränkt zu sein, anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen in vereinfachter, schematischer Darstellung:
- 1A ein erstes Ausführungsbeispiel einer Fertigungsvorrichtung mit einem zu bedruckenden Bauteil in einer Prinzipdarstellung;
- 1B die Fertigungsvorrichtung nach 1A mit einem bedruckten Bauteil;
- 2A ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fertigungsvorrichtung mit einem zu bedruckenden Bauteil in einer Prinzipdarstellung;
- 2B die Fertigungsvorrichtung nach 2A mit einem bedruckten Bauteil;
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fertigungsvorrichtung in einer Prinzipdarstellung;
- 4A ein Beispiel eines Bauteils zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren;
- 4B ein Beispiel eines mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Werkstücks.
-
Die 1A, 1B, 2A, 2B und 3 zeigen Ausführungsbeispiele einer als 3D-Druckvorrichtung 20, 30 bzw. 40 ausgebildeten Fertigungsvorrichtung 10. Im Folgenden wird zunächst auf den in den Figuren vereinfacht und nicht vollständig dargestellten, grundlegenden Aufbau der Fertigungsvorrichtung 10 Bezug genommen, bevor anschließend näher auf die einzelnen Figuren eingegangen wird.
-
Die 1A, 1B, 2A, 2B und 3 zeigen jeweils eine 3D-Druckvorrichtung 20, 30, 40 in stark vereinfachter Prinzipdarstellung. Die 3D-Druckvorrichtung 20, 30, 40 weist dabei eine Rahmenstruktur 22 auf, die mindestens eine Druckeinheit 26 trägt. Die Druckeinheit 26 kann in vorteilhafter Ausgestaltung in einem nicht näher dargestellten Gehäuse angeordnet sein. In beispielhafter Ausgestaltung kann ein derartiges Gehäuse mit der Rahmenstruktur 22 verbunden sein kann. Die 3D-Druckvorrichtung 20, 30, 40 weist mindestens eine Druckeinheit 26 zum Bedrucken eines Bauteils 50 mittels eines 3D-Druckverfahrens auf. Beim Bedrucken des Bauteils 50 wird ein druckbares Material, beispielsweise ein thermoplastischer Kunststoff wie z.B. Polyoxymethylen, additiv auf das Bauteil 50 aufgebracht. Das Bauteil 50 kann dabei aus einem Material bestehen, dass nicht druckbar ist bzw. nicht mit einer hinreichenden Qualität und/oder nicht mit den gewünschten Eigenschaften druckbar ist. Die Druckeinheit 26 weist vorzugsweise mindestens einen Druckkopf 38 zum Aufbringen des druckbaren Materials auf das Bauteil 50 auf.
-
Die 1A und 2A zeigen das Bauteil vor Beginn des 3D-Druckverfahrens. Die 1B, 2B und 3 zeigen das Bauteil 50 verbunden mit einer mittels des 3D-Druckverfahrens aufgebrachten Druckkomponente 52.
-
Die Verbindung des Bauteils 50 mit der Druckkomponente 52 kann beispielsweise durch Formschluss erfolgen. Hierzu kann die Druckkomponente 52 derart aufgebracht werden, dass sie das Bauteil 50 zumindest teilweise umgibt. Alternativ oder zusätzlich können das Bauteil 50 und die Druckkomponente 52 beispielsweise durch Stoffschluss miteinander verbunden werden. Ein solcher Stoffschluss kann beispielsweise durch Kleben oder durch ein Vermischen der Materialien des Bauteils 50 und der Druckkomponente 52 an ihren Kontaktbereichen hergestellt werden. Zum Herstellen des Stoffschlusses kann es zweckmäßig sein, einen Katalysator zu verwenden, der hierfür notwendige Vorgänge beschleunigt.
-
Die 1A und 1B zeigen eine 3D-Druckvorrichtung 20 mit einer Handhabungsvorrichtung 28 zum Bewegen der Druckeinheit 26. Die Handhabungseinrichtung 28 ist dabei zum Positionieren der Druckeinheit 26 während des 3D-Druckverfahrens ausgebildet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist hierfür ein an und für sich bekannter sogenannter Tripod vorgesehen, wie es die Figuren zeigen.
-
Während des Druckvorgangs kann die Druckeinheit 26 an dem Bauteil 50 entlang fahren. Das Bauteil 50 wird gemäß dem in den 1A und 1B veranschaulichten Ausführungsbeispiel nicht bewegt. Das Bauteil 50 ist zum Bedrucken auf einer Haltevorrichtung 24 angeordnet, die beispielsweise in Form eines Drucktisches oder eines Druckbetts ausgebildet sein kann.
-
Die 2A und 2B zeigen eine 3D-Druckvorrichtung 30 mit einer Druckeinheit 26, die während des Druckvorgangs nicht bewegt wird. Die Druckeinheit 26 kann dabei beispielsweise mit einer Halterung 34 verbunden sein, die an der Rahmenstruktur 22 der 3D-Druckvorrichtung 30 angeordnet ist. Die gezeigte 3D-Druckvorrichtung 30 weist eine Handhabungsvorrichtung 32 zum Bewegen des Bauteils 50 auf. Im gezeigten Beispiel ist das Bauteil 50 zum Bedrucken auf einer Haltevorrichtung 24 angeordnet, die mittels der Handhabungsvorrichtung 32 bewegt werden kann. Die mit der Haltevorrichtung 24 für das Bauteil 50 verbundene Handhabungseinrichtung 32 ist zum Positionieren des Bauteils 50 während des 3D-Druckverfahrens ausgebildet. Während des Druckvorgangs kann das Bauteil 50 vor der feststehenden Druckeinheit 26 bewegt werden.
-
3 zeigt eine 3D-Druckvorrichtung 40 mit einer Handhabungsvorrichtung 42 zum Bewegen der Druckeinheit 26 und mit einer Handhabungsvorrichtung 46 zum Bewegen des Bauteils 50. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass die Druckeinheit 26 relativ zu dem Bauteil 50 um dieses herum geführt werden kann.
-
Die Handhabungsvorrichtung 46 zum Bewegen des Bauteils 50 ist mit einer Haltevorrichtung 44 für das Bauteil 50 verbunden. Das Bauteil kann beispielsweise wie in 3 angedeutet zum Bedrucken auf die Haltevorrichtung 44 aufgesteckt und mittels einer nicht näher dargestellten Sicherungseinrichtung an der Haltevorrichtung 44 festgelegt sein. Die Handhabungsvorrichtungen 42, 46 sind zum Positionieren der Druckeinheit 26 bzw. zum Positionieren des Bauteils 50 während des 3D-Druckverfahrens ausgebildet. Während des Druckvorgangs können sowohl die Druckeinheit 26 als auch das Bauteil 50 bewegt werden.
-
Die in den 1A, 1B, 2A, 2B und 3 beispielhaft gezeigten Handhabungseinrichtungen 28, 32, 42 und 46 können zweckmäßigerweise als Manipulatoren ausgebildet sein und vorzugsweise ein oder mehrere Bewegungsachsen aufweisen.
-
Mittels der in den 1A, 1B, 2A, 2B und 3 gezeigten 3D-Druckvorrichtungen 20, 30 bzw. 40 kann druckbares Material mittels eines 3D-Druckverfahrens auf ein Bauteil 50 aufgebracht werden, welches ein nicht-druckbares Material aufweist. Weiterhin kann mittels derartiger 3D-Druckvorrichtungen 20, 30, 40 druckbares Material mittels eines 3D-Druckverfahrens auf ein Bauteil 50 aufgebracht werden, welches bereits in einem endbearbeiteten Zustand vorliegt. Ein derartiges Bauteil 50 kann beispielsweise ein Glasbauteil sein. Für den Fall, dass beim 3D-Druck in den Zeichnungen nicht näher dargestellte Stützstrukturen verwendet werden, so können diese Stützstrukturen beispielsweise mitgedruckt werden, vor Beginn des Druckvorgangs an dem Bauteil 50 angebracht werden oder bereits an dem Bauteil ausgebildet sein.
-
4A zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Bauteil 50, das mit Hilfe einer 3D-Druckvorrichtung 40, wie sie vorangehend beispielhaft im Zusammenhang mit 3 beschrieben wurde, bedruckt werden kann. Das Bauteil 50 ist im gezeigten Beispiel an einer Haltevorrichtung 44 angeordnet.
-
4B zeigt ein Werkstück 58 mit einer Druckkomponente 54, die mittels eines 3D-Druckverfahrens auf das in 4A gezeigte Bauteil 50 aufgebracht wurde. Das Werkstück 58 ist im gezeigten Beispiel an einer Haltevorrichtung 44 angeordnet.
-
Das in den 4A und 4B beispielhaft gezeigte Bauteil 50 weist eine rohrförmige Hauptkomponente 54 auf, die beispielsweise als Glasrohr ausgebildet sein kann. An der Hauptkomponente 54 können ein oder mehrere Hilfselemente 56 angeordnet sein. Im gezeigten Beispiel sind die Hilfselemente 56 als Stifte ausgebildet, die in Öffnungen der Hauptkomponente 54 des Bauteils 50 eingesetzt sind. Die Hilfselemente 56 können beispielsweise dazu dienen, zu verhindern, dass während des 3D-Drucks unerwünscht Material in das Innere des Bauteils 50 gelangt. Die in 4B gezeigte Druckkomponente 54 kann beispielsweise aus einem hochmolekularen thermoplastischen Kunststoff bestehen wie z.B. Polyoxymethylen. Wie im gezeigten Beispiel angedeutet, kann die Druckkomponente 52 als eine das Bauteil 50 vollständig oder bereichsweise umgebende Kontur ausgebildet sein.
-
Gegebenenfalls können auch mehrere Bauteile 50 durch die Druckkomponente 52 miteinander verbunden werden. In diesem Fall trägt die Handhabungseinrichtung 32, 46 mehrere solche Bauteile 50 oder es sind mehrere Handhabungseinrichtungen für jeweils ein Bauteil 50 vorhanden, die dann synchronisiert bewegt werden.
-
Um ein Werkstück 58 herzustellen, welches Eigenschaften aufweist, die sich mittels eines 3D-Druckverfahrens nicht oder nur ungünstig herstellen lassen, wird ein Bauteil 50 mittels des 3D-Druckverfahrens bedruckt, welches die entsprechenden Eigenschaften aufweist. Derartige Eigenschaften können beispielsweise Materialeigenschaften bzw. Oberflächeneigenschaften sein. Wird beispielsweise ein Glasrohr mittels 3D-Druck mit einer Druckkomponente 52 versehen, so weist das resultierende Werkstück 58 eine durch das Glasrohr definierte Oberflächenbeschaffenheit insbesondere an seiner Innenfläche auf. Eine mechanische Nacharbeit und beispielsweise auch das Anbringen einer Bohrung können somit entfallen.
-
Vorteilhaft ist dies z.B. bei Beschichtungsmaterial führenden Bauteilen im Bereich der Applikationstechnik.
-
Ein Gedanke, welcher der Erfindung zugrunde liegt, lässt sich wie folgt zusammenfassen: Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mittels eines 3D-Druckverfahrens, bei dem mittels des 3D-Druckverfahrens eine Druckkomponente 52 auf ein dreidimensionales Bauteil 50 aufgebracht wird. Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung eines Verfahrens ausgebildete Fertigungsvorrichtung mit einer 3D-Druckvorrichtung, die mindestens eine Druckeinheit 26 und mindestens eine Haltevorrichtung 24, 44 für ein dreidimensionales Bauteil 50 aufweist, wobei die Haltevorrichtung 24, 44 und die Druckeinheit 26 relativ zueinander beweglich angeordnet sind. Erfindungsgemäß können die Vorteile des 3D-Druckverfahrens, z.B. Schnelligkeit, hohe Flexibilität und geringe Kosten, mit den speziellen Eigenschaften des vorgefertigten und/oder nicht mittels 3D-Druck hergestellten Bauteils 50 verbunden werden. Strukturelle Anforderungen können auf das Werkstück 58 übertragen werden ohne dass hierfür eine Nachbearbeitung erforderlich ist oder dass diese reduziert ist.
-
Bei allen oben beschriebenen Druckvorgängen müssen die Position und Orientierung des zu bedruckenden Bauteils 50 im Raum und die Position und Orientierung der Druckeinheit 26 im Raum zu einander korreliert werden, so dass das System einen für den Druckvorgang definierten Nullpunkt festlegen kann, von dem aus die durchzuführenden Bewegungen berechnet werden. Außerdem muss die Außenkontur des Bauteils 50 in dem zu bedruckenden Bereich des Bauteils 50 bekannt sein, damit die Zielaußenkontur des Werkstücks 58 durch die Druckkomponente 52 ausgebildet werden kann.
-
Dabei können auch Bauteile 50 bedruckt werden, welche größer als der Arbeitsbereich der Handhabungseinheit 28, 42 sind, welche die Druckeinheit 26 führen. Es ist ausreichend, wenn die Handhabungseinheiten 28, 32, 42 und 46 so zusammenarbeiten, dass der zu bedruckende Bereich des Bauteils 50 vollständig abgedeckt werden kann, auch wenn der zu bedruckende Bereich und das Bauteil größer als der Arbeitsbereich des Handhabungsroboters 26, 32 für die Druckeinheit 26 für sich genommen ist.
-
Um diese Ausgangsparameter zu ermitteln, kann eine entsprechende Sensorik vorhanden sein, insbesondere eine optische Sensorik mit Kameras, welche mit Hilfe eines entsprechenden Bildauswertealgorithmus die Geometrien sowie die relativen Orientierungen der Komponenten im Raum ermitteln kann.
