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Die Erfindung betrifft eine Druckeinrichtung zur Herstellung von Gegenständen mittels 3D-Drucks, insbesondere einen Druckkopf, ein Drucksystem zur Herstellung von Gegenständen mittels 3D-Drucks, ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mittels 3D-Drucks sowie ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen.
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Es existiert eine Vielzahl an 3-D-Druckverfahren, mit denen für unterschiedlichste Anwendungsbereiche Bauteile aus verschiedenen Materialien bzw. Materialkombinationen hergestellt werden. Auch in der industriellen Produktion werden vermehrt 3-D-Druckverfahren genutzt, weil diese ohne zusätzlichen Aufwand einen hohen Grad an Individualisierung der herzustellenden Teile ermöglichen.
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Es ergeben sich jedoch Limitierungen durch den schichtweisen Materialauftrag beim 3-D-Druck von Gegenständen. Zur Herstellung von überkragenden Bereichen werden typischerweise Stützstrukturen genutzt, die mittels des 3D-Druckverfahrens hergestellt oder äußerlich eingebracht werden. Diese müssen im Anschluss an die Herstellung des Teils zeitaufwändig wieder entfernt werden. Dies kann beispielsweise mittels eines Lösemittels realisiert werden, welches die Stützstruktur, nicht jedoch das gedruckte Teil, auflöst und entfernt.
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Den Grenzwinkel, bis zu welchem überkragende Strukturen ohne Nutzung einer Stützstruktur hergestellt werden können, ist dabei vom 3-D-Druckverfahren und vom genutzten Werkstoff abhängig.
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Einzelne Aspekte der beschriebenen und aus dem Stand der Technik bekannten Druckeinrichtung sind in 1 dargestellt. Diese stellt ein Drucksystem 12 mit einer Druckeinrichtung 10 schematisch dar, welches ein 3-D-Druckverfahren ausführt. Die Druckeinrichtung 10 umfasst eine Ausbringungseinrichtung 14 mit einer Ausbringungsöffnung 17. Aus dieser wird ein Medium 15 in senkrechter Richtung nach unten ausgebracht. Der auf einer Halteeinrichtung 20 des Drucksystems 12 befindliche herzustellende Gegenstand 22 weist an seiner linken Seite einen überkragenden Bereich auf, dessen Unterkante in einem Winkel α zur Horizontalen ausgerichtet ist. Unter dem überkragenden Bereich ist eine Stützstruktur 34 dargestellt, die ihn gegenüber der Halteeinrichtung 20 abstützt. Schematisch sind Bewegungsrichtungen 40 dargestellt, entlang derer sich die Druckeinrichtung 10 zur Realisierung des schichtweisen Materialauftrags während der Durchführung des Druckverfahrens bewegt.
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Eine Alternative zu Stützstrukturen ist eine bewegliche Anordnung der Halteeinrichtung, die eine variable Ausrichtung des zu druckenden Gegenstands ermöglicht, sodass das Drucken unabhängig von dem beschriebenen Winkel α ausgeführt werden kann. Insbesondere erfolgt die Ausbringung des Materials demnach stets entlang der Schwerkraftrichtung. Die
EP 2 720 853 A1 offenbart eine derartige Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands aus verfestigbarem Material, also zur Herstellung von Gegenständen mittels eines 3-D-Druckverfahrens, welches auch bei überkragenden Druckbereichen keine Stützstrukturen benötigt. Zu diesem Zweck umfasst die Vorrichtung Mittel, um den Objektträger bzw. den zu druckenden Gegenstand und die Austrittsöffnung des zu druckenden Materials aufeinander auszurichten. Der Objektträger bzw. der Gegenstand ist auf einer mehrachsigen Vorrichtung angeordnet, welche den Objektträger bzw. die bereits gedruckten Bereiche des Gegenstands derart ausrichten können, dass die Druckrichtung, also die Austrittsöffnung der Tröpfchen zu druckenden Materials aus dem Druckkopf, im Wesentlichen entlang der Wirkungsrichtung der Schwerkraft ausgerichtet ist.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Druckeinrichtung, ein Drucksystem sowie ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen zur Verfügung zu stellen, mit denen auf einfache und kostengünstige Weise beliebig geformte Gegenstände hergestellt werden können.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Druckeinrichtung zur Herstellung von Gegenständen gemäß Anspruch 1, das Drucksystem gemäß Anspruch 8 sowie das Verfahren zur Herstellung von Gegenständen gemäß Anspruch 9. Ausgestaltungen der Druckeinrichtung sind in den Unteransprüchen 2-7 angegeben. Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist eine Druckeinrichtung zur Herstellung von Gegenständen mittels 3D-Drucks, insbesondere ein Druckkopf. Diese umfasst eine Ausbringungseinrichtung mit einer Ausbringungsöffnung zur Ausbringung eines Mediums entlang einer Ausbringungsrichtung. Weiterhin umfasst die Druckeinrichtung ein in Bezug zur Ausbringungsöffnung fest angeordnetes bzw. anordbares Anlageelement mit einer Anlagefläche zur Formgebung, insbesondere zum Abstützen, wenigstens eines Bereichs des ausgebrachten Mediums zwecks Stabilisierung der Form des ausgebrachten Mediums. Dabei weist die Ausbringungsöffnung eine maximale Weite w auf. Für einen maximalen Abstand x zwischen der Ausbringungsöffnung und der Anlagefläche entlang der Ausbringungsrichtung gilt: x ≤ 5 w. Insbesondere gilt: x ≤ 3 w.
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Eine Druckeinrichtung im Sinne der Erfindung ist eine Einrichtung, die zur Ausgabe eines Mediums eingerichtet ist und insbesondere in Bezug zu einer Halteeinrichtung bzw. zu einem zu druckenden Gegenstand beweglich ist. Beispielsweise ist die Druckeinrichtung demnach ein Druckkopf, welcher in wenigstens einer Raumrichtung verfahrbar angeordnet ist, sodass ein schichtweiser Auftrag des zu druckenden Mediums realisierbar ist.
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Das auszubringende Medium ist dabei vom Druckverfahren abhängig. Insbesondere werden flüssige Medien genutzt, die zur Verfestigung geeignet sind, oder es werden pulverförmige Medien genutzt, die nach einem zumindest bereichsweisen Verflüssigen zur Verfestigung geeignet sind, beispielsweise Metall- oder Keramikpulver. Insbesondere werden jedoch flüssig auszubringende Kunststoffe eingesetzt, beispielsweise bei der Schmelzschichtung, die auch als Fused Deposition Modeling bezeichnet wird, oder dem als Multi-Jet Modeling bekannten Verfahren.
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Diesen Verfahren ist gemein, dass das jeweilige Medium aus einer Ausbringungseinrichtung, beispielsweise einer Düse, auf den zu druckenden Gegenstand aufgebracht wird. Bei der Durchführung der Verfahren werden die Medien derart aufgebracht, dass sie in einer gewünschten Position verfestigen bzw. aushärten.
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An der Druckeinrichtung ist das Anlageelement angeordnet, welches typischerweise während des Druckens gemeinsam mit der Ausbringungseinrichtung bewegt wird. Mit anderen Worten ist das Anlageelement mechanisch mit der Ausbringungseinrichtung verbunden und kann zumindest für die Dauer des Druckvorganges in seiner Position in Bezug zur Ausbringungsöffnung fixiert werden.
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Mittels des erfindungsgemäßen Anlageelements mit der Anlagefläche kann das ausgebrachte Medium somit zumindest zeitabschnittsweise während der Verfestigung in der gewünschten Position gehalten werden. Die zu stabilisierende Form des ausgebrachten Mediums ist dabei insbesondere die mittels des 3-D-Druckverfahrens hergestellte Form des ausgebrachten Mediums.
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Die Anlagefläche ist dabei insbesondere derart ausgestaltet, dass sie eine möglichst geringe Haftung zum ausgebrachten Medium aufweist. Sie kann in ihrer Form in einer oder mehreren Raumrichtungen an den zu druckenden Gegenstand angepasst sein, und beispielsweise gerade, gerundet oder mit einer oder mehreren Kanten ausgeführt sein.
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Die Anlagefläche kann vorzugsweise in ihrem Winkel in wenigstes einer Ebene im Raum eingestellt werden, so dass ihre Anlage am ausgebrachten Medium dafür genutzt werden kann, um die Oberflächenqualität im seitlichen Bereich des herzustellenden Bauteils zu verbessern.
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Eine Stufenbildung kann dadurch verhindert werden, dass die anstellbare Anlagefläche im Winkel permanent der Kontur des herzustellenden Bauteils folgt.
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Das Verfestigen kann z. B. ein Aushärten eines flüssigen Mediums während eines Abkühlvorgangs sein. In diesem Fall soll das ausgebrachte Medium zumindest zeitabschnittsweise während des Aushärtens abgestützt werden, sodass es nach Entfernung der Anlagefläche eine ausreichende Stabilität bzw. Festigkeit besitzt, um sich nicht weiter zu verformen. Beispielsweise kann dem ausgebrachten Medium auf diese Weise Wärmeenergie entzogen werden. Es kann sich zumindest ein ausgehärteter bzw. verfestigter Bereich ausbilden, beispielweise in Form einer Haut an der die Anlagefläche kontaktierenden Oberfläche des ausgebrachten Mediums, der die gewünschte Stabilität schafft. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass die Anlagefläche zur aktiven Formgebung, also zur Umformung des ausgegebenen Mediums dienen kann. Auf diese Weise können beispielsweise sichtbare Schichtstrukturen eingeebnet werden, um eine Nachbearbeitung des hergestellten Gegenstands zu erübrigen und auf diese Weise Kosten und Aufwand der Herstellung weiter zu senken.
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Die maximale Weite w ist die in der größten Ausdehnungsrichtung der Ausbringungsöffnung gemessene Weite. Sie wird insbesondere im rechten Winkel zur Ausbringungsrichtung gemessen. Bei Ausbringungsöffnung mit Kreisquerschnitt entspricht demnach der Durchmesser der maximalen Weite w. Selbstverständlich kann die Ausbringungsöffnung beliebig geformt sein und längliche oder schlitzförmige Querschnitte aufweisen.
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Der maximale Abstand x zwischen der Ausbringungsöffnung und der Anlagefläche wird entlang der Ausbringungsrichtung gemessen und ist der Abstand zwischen der Ebene der Ausbringungsöffnung und dem am weitesten von dieser entfernten Bereich der Anlagefläche bzw. dem am weitesten von dieser mittels des Mediums zu kontaktierende Bereich. Dabei kann das Anlageelement selbstverständlich größere Ausdehnungen aufweisen und bereichsweise weiter von der Ausbringungsöffnung beabstandet sein als die genannte fünffache Weite der Ausbringungsöffnung.
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Typischerweise ergibt sich darüber hinaus eine lichte Weite zwischen der Ausbringungsöffnung von weniger als 8 mm, insbesondere von weniger als 5 mm und beispielsweise weniger als 3 mm. In einer Ausführungsform kann das Anlageelement die Ebene der Ausbringungsöffnung kontaktieren und somit ist kein Abstand vorhanden. Der Durchmesser der Ausbringungsöffnung kann beispielsweise ca. 1 mm betragen.
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In einer Ausgestaltung der Druckeinrichtung ist das Anlageelement als Abstützelement zum Abstützen wenigstens eines Bereichs des ausgebrachten Mediums ausgeführt und die Anlagefläche ist derart angeordnet oder anordbar, dass mit ihr eine schwerkraftbedingte Verformung des ausgebrachten Mediums verhinderbar ist.
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Ein Abstützen meint dabei ein Stabilisieren des ausgebrachten Mediums entgegen der Schwerkraftrichtung. Ein Abstützelement ist demnach ein Element, welches das ausgebrachte Medium entgegen der Schwerkraftrichtung abstützen kann. Mit anderen Worten ist die Anlagefläche derart positioniert oder positionierbar, dass sie bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Druckeinrichtung entlang der Schwerkraftrichtung unterhalb der Ausbringungsöffnung befindlich ist. Dies ist dabei unabhängig von der Ausbringungsrichtung, die nicht notwendigerweise entlang der Schwerkraftrichtung ausgerichtet sein muss.
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Diese Ausführungsform ergibt den Vorteil, dass überkragende Strukturen auf besonders einfache Weise ohne die Nutzung von Stützstrukturen hergestellt werden können.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Druckeinrichtung ist die Anlagefläche derart in Bezug zur Ausbringungsöffnung positioniert oder positionierbar, dass zumindest ein Bereich des ausgebrachten Mediums entlang der Ausbringungsrichtung zwischen der Ausbringungsöffnung und wenigstens einem Bereich der der Anlagefläche befindlich ist.
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Die Ausbringungsrichtung ist hierbei typischerweise entlang der Schwerkraftrichtung ausgerichtet, sodass ein Abstützen des ausgebrachten Mediums entgegen der Schwerkraftrichtung erfolgen kann. Mit anderen Worten ist die Anlagefläche der Ausbringungsöffnung zugewandt.
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Es ergibt sich der Vorteil, dass bei der typischen vertikalen Ausrichtung der Ausbringungseinrichtung gezielt der unter der Ausbringungsöffnung befindliche Bereich des ausgebrachten Mediums zwecks Stabilisierung seiner Form abgestützt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Anlageelement beweglich in Bezug zur Ausbringungseinrichtung angeordnet, sodass die Anlagefläche zwischen einer Nutzungsposition zur Kontaktierung des ausgebrachten Mediums und einer Nichtbenutzungsposition bewegbar ist.
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Die Nichtbenutzungsposition dient insbesondere der platzsparenden Verstauung des Anlageelements bei Nichtbenutzung des Anlageelements, beispielsweise zur Herstellung nicht überkragender Strukturen, sowie der Verhinderung von Kollision mit bereits gedruckten Strukturen.
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Typischerweise ist die Anlagefläche in der Benutzungsposition derart in Bezug zur Ausbringungsöffnung positioniert, dass das abzustützende Medium entlang der Ausbringungsrichtung zwischen der Ausbringungsöffnung und der Anlagefläche befindlich ist.
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Somit ist die Anlagefläche in der Strömungsbahn des auszubringenden Mediums angeordnet. Bei Nichtbenutzung kann das Anlageelement entsprechend aus der Strömungsbahn heraus bewegt werden, beispielsweise durch Schwenken oder Klappen.
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Dabei kann das Anlageelement zur Realisierung der beschriebenen Bewegung mit einer Antriebseinrichtung gekoppelt werden. Insbesondere umfasst die Druckeinrichtung dabei eine derartige Antriebseinrichtung, beispielsweise einen Elektromotor.
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Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass die Druckeinrichtung variabel zur Herstellung unterschiedlichster Formen genutzt werden kann, insbesondere zur Herstellung überkragender und nicht überkragender Strukturen. Diese können dabei in einer Aufspannung hergestellt werden.
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Die Druckeinrichtung kann wenigstens eine antreibbare Übertragungseinrichtung, insbesondere ein Getriebe, zur Übertragung einer Bewegung auf das Anlageelement zwecks dessen Positionierung aufweisen. Die Übertragungseinrichtung umfasst insbesondere eine Schubstange zur Übertragung einer translatorischen Bewegung.
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Insbesondere dient die Übertragungseinrichtung der Realisierung einer Bewegung von der Nichtbenutzungsposition in die Nutzungsposition und zurück. Weiterhin ist die Realisierung unterschiedlicher Nutzungspositionen möglich, wobei beispielsweise unterschiedliche Winkel in Bezug zum zu druckenden Gegenstand zur Realisierung unterschiedlicher Konturen einstellbar sind. Die Übertragungseinrichtung kann wie beschrieben mit einem Antrieb gekoppelt bzw. koppelbar sein.
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Ein Getriebe kann dabei beispielsweise zur Umwandlung einer translatorischen in eine rotatorische oder eine kombinierte translatorisch-rotatorische Bewegung genutzt werden, sodass das Anlageelement von der Ausbringungsöffnung weggefahren und/oder weggeklappt werden kann.
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Es ergibt sich der Vorteil einer einfachen Steuerungs- bzw. Bewegungsmöglichkeit des Anlageelements. Weiterhin ist es in dieser Ausgestaltung durch die Übertragung der antreiben Bewegungen nicht notwendig, im sehr limitierten Bauraum der Druckeinrichtung eine Antriebseinrichtung bzw. einen Motor anzuordnen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist zumindest das Anlageelement zur Realisierung einer Formgebungsfunktion in unterschiedlichen Winkelpositionen um eine entlang der Ausbringungsrichtung verlaufende Drehachse drehbar und in unterschiedlichen Winkelpositionen positionierbar.
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Mit anderen Worten ist das Anlageelement drehbar im Bezug zu einem zu druckenden Gegenstand bzw. in Bezug zu einer Halteeinrichtung zum Halten eines zu druckenden Gegenstands. Somit ist das Anlageelement in jeder Raumrichtung anordbar.
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Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil, dass in unterschiedliche Raumrichtungen überkragende Strukturen in einer Aufspannung gedruckt werden können.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Anlageelement dazu eingerichtet, mittels einer Kühlungseinrichtung gekühlt zu werden, sodass dem abgestützten Medium zumindest in einem Kontaktbereich mit der Anlagefläche Wärme entzogen werden kann.
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Das Kühlen meint hierbei ein Ableiten von Wärme, insbesondere zur Beschleunigung des Verfestigens bzw. Aushärtens des Mediums. Es muss dabei keine aktive Kühlung angeordnet sein. Auch ist es nicht notwendig, dass eine Temperatur unter der Umgebungstemperatur erreichbar ist. Wie beschrieben kann dabei zumindest ein Bereich des ausgebrachten Mediums gezielt ausgehärtet bzw. verfestigt werden, beispielsweise in Form einer sich bildenden oberflächlichen Haut.
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Vorzugsweise umfasst die Druckeinrichtung eine entsprechende Kühlungseinrichtung. Beispielsweise kann das Anlageelement einen Kühlkanal für ein Kühlmedium umfassen, welche mit einem Kühlkreislauf verbunden oder verbindbar ist. Ebenso ist es möglich, dass das Anlageelement mit einer aktiven Kühlungseinrichtung verbunden oder verbindbar ist. Es kann weiterhin wärmeleitend an einen Kühlkörper angeschlossen bzw. anschließbar sein.
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Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil, dass die Herstellung überkragender Strukturen besonders schnell und effizient realisierbar ist.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Drucksystem für den 3D-Druck. Dieses umfasst eine erfindungsgemäße Druckeinrichtung, insbesondere einen Druckkopf, sowie eine Bewegungseinrichtung zur Realisierung einer Relativbewegung zwischen der Druckeinrichtung und einem zu druckenden Gegenstand.
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Die Relativbewegung wird dabei insbesondere zur Durchführung des Druckverfahrens realisiert, um auf diese Weise in unterschiedlichen Positionen einer zu druckenden Schicht Material aufzutragen.
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Dabei kann die Druckeinrichtung an die Bewegungseinrichtung angeschlossen sein und mit dieser bewegbar sein und/oder es kann der zu druckende Gegenstand bzw. eine Halteeinrichtung zum Halten wenigstens eines zu druckenden Gegenstands an die Bewegungseinrichtung angeschlossen sein und mit dieser bewegbar sein. Insbesondere umfasst das Drucksystem weiterhin die genannte Halteeinrichtung.
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Das heißt, dass die Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Halteeinrichtung für den zu druckenden Gegenstand erfolgen kann, wobei die Druckeinrichtung und/oder die Halteeinrichtung bewegt wird.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mittels 3D-Drucks. Dabei wird aus der Ausbringungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung Medium ausgebracht und ausgebrachtes Medium wird zwecks Stabilisierung seiner Form zumindest bereichsweise mittels der Anlagefläche des Anlageelements abgestützt. Dabei kann die Anlagefläche gekühlt werden bzw. es kann Wärme von der Anlagefläche abgeleitet werden, sodass zumindest einem die Anlagefläche kontaktierenden Bereich des ausgebrachten Mediums Wärme entzogen wird.
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Auf diese Weise kann wie beschrieben eine überkragende Struktur hergestellt werden. Insbesondere wird die Druckeinrichtung dabei bewegt, beispielsweise entlang wenigstens einer senkrecht zur Ausbringungsrichtung angeordneten Raumrichtung, um eine Schicht des Mediums aufzutragen. Die Vorschubgeschwindigkeit der Druckeinrichtung wird dabei insbesondere an die Aushärtungsgeschwindigkeit des gedruckten Mediums angepasst.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das ausgebrachte Medium auf einen bereits existierenden Gegenstand aufgebracht. Mit anderen Worten wird das Medium an einen Gegenstand angedruckt. Dieser kann ein mittels eines beliebigen Verfahrens hergestellter Gegenstand sein.
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Ein vierter Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen. Dieses weist wenigstens einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gegenstand auf.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen
- 1: eine Schnittzeichnung einer aus dem Stand der Technik bekannten Druckeinrichtung bei der Herstellung eines Gegenstands mittels 3D-Drucks,
- 2: eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung von unten,
- 3: eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung aus 2 von schräg unten,
- 4: eine Schnittzeichnung A-A der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung aus 2,
- 5: eine Schnittzeichnung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung in einer ersten Position,
- 6: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus 5 in einer zweiten Position,
- 7: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus den 5-6 in einer dritten Position,
- 8: eine Schnittzeichnung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung in einer ersten Position,
- 9: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus 8 in einer zweiten Position,
- 10: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus den 8-9 in einer dritten Position,
- 11: eine Schnittzeichnung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung in einer ersten Position,
- 12: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus 11 in einer zweiten Position,
- 13: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus den 11-12 in einer dritten Position,
- 14: eine Schnittzeichnung einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung in einer ersten Position,
- 15: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus 14 in einer zweiten Position,
- 16: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus den 14-15 in einer dritten Position,
- 17: eine Schnittzeichnung einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung in einer ersten Position,
- 18: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus 17 in einer zweiten Position,
- 19: eine Schnittzeichnung einer siebten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung in einer ersten Position,
- 20: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus 19 in einer zweiten Position,
- 21: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus den 19-20 in einer dritten Position während der Herstellung eines Gegenstands,
- 22: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus den 19-21 in einer vierten Position während der Herstellung eines Gegenstands,
- 23: eine Schnittzeichnung A-A aus 21,
- 24: eine Schnittzeichnung einer achten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung in einer ersten Position,
- 25: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus 24 in einer zweiten Position, sowie
- 26: eine Schnittzeichnung der Druckeinrichtung aus den 24-25 in einer dritten Position während der Herstellung eines Gegenstands,
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Auf die 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
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Die 2-4 zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckeinrichtung 10 in Form eines Druckkopfes. Dieser umfasst eine Ausbringungseinrichtung 14 mit einer Ausbringungsöffnung 17, nämlich einer Düse, zur Ausbringung eines zu druckenden Mediums 15 in einer Ausbringungsrichtung 16. Am Druckkopf angeordnet ist ein Anlageelement 18, welches über eine Anlagefläche 19 verfügt. Das Anlageelement 18 ist mittels einer Übertragungseinrichtung, nämlich einer Schubstange 30, derart an der Druckeinrichtung 10 angeordnet, dass es die kreisbahnförmige Bewegungsrichtung 42 der Schubstange 30 gemeinsam mit dieser ausführen kann und somit relativ zur Ausbringungsöffnung 17 verschiebbar ist.
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Die Ausbringungsöffnung 17 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf, dessen Durchmesser in dieser Ausführungsform der maximalen Weite w entspricht. Es ist ersichtlich, dass der entlang der Ausbringungsrichtung 16 gemessene Abstand zwischen der Ausbringungsöffnung 17 und der Anlagefläche 19, also der maximale Abstand x, nur unwesentlich größer ist als die maximale Weite w.
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Ein äußerer Ring der Druckeinrichtung 10, an welchem die Schubstange 30 angeordnet ist, ist um die Ausbringungseinrichtung 14 herum in der Drehrichtung 54 drehbar ausgestaltet. Die Ausbringungsrichtung 16 stellt die zugehörige Drehachse dar.
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In 4 ist dargestellt, wie mittels der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung 10 ein Gegenstand 22 mit einem auf der linken Seite dargestellten überkragenden Bereich im 3-D-Druckverfahren hergestellt wird. Dabei ist das Anlageelement 18 derart positioniert, dass die Anlagefläche 19 in unmittelbarer Nähe zur Ausbringungsöffnung 17 befindlich ist, sodass das ausgebrachte Medium 15 mittels der Anlagefläche 19 entgegen der Schwerkraftrichtung abgestützt werden kann. Somit kann eine schwerkraftbedingte Verformung des ausgebrachten Mediums 15 verhindert werden.
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Die Anlagefläche 19 ist derart in Bezug zur Ausbringungsöffnung 17 angeordnet, dass der abzustützende Bereich des ausgebrachten Mediums 15 entlang der Ausbringungsrichtung 16 zwischen Ausbringungsöffnung 17 und Anlagefläche 19 befindlich ist. Auf diese Weise wird die Position des ausgebrachten Mediums 15 stabilisiert, sodass dieses in den überkragenden Bereichen eine ausreichende Festigkeit besitzt, die die notwendige Formstabilität auch bei Wegnahme des Anlageelements 18 gewährleistet.
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Die kreisbahnförmige Bewegungsrichtung 42 ermöglicht dabei unterschiedliche Nutzungspositionen des Anlageelements 18 zur Herstellung unterschiedlicher Winkel des überkragenden Bereichs zur Horizontalen sowie unterschiedliche Nichtbenutzungspositionen, in denen das Anlageelement 18 in Bezug zur Ausbringungsöffnung 17 nach oben hin wegbewegt ist.
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In den 5-7 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung 10 dargestellt. Hierbei ist das Anlageelement 18 mittels einer Übertragungseinrichtung 32, nämlich einem Getriebe, beweglich in Bezug zur Ausbringungsöffnung 17 angeordnet. Die Übertragungseinrichtung 32 umfasst ein Übertragungselement 31 sowie eine Schubstange 30. Mittels einer gemeinsamen vertikalen Bewegung des Übertragungselements 31 und der Schubstange 30 entlang der Bewegungsrichtung 42 kann die Höhenposition des Anlageelements 18 in Bezug zur Ausbringungsöffnung 17 eingestellt werden. Eine derartige Zwischenposition des nun ausgefahrenen Anlageelements 18 ist in 6 dargestellt. Wird nun eine weitere entlang der Bewegungsrichtung 42 nach unten gerichtete Bewegung der Schubstange 30 realisiert, wie in 7 gezeigt, so erfolgt eine Drehung des Anlageelements 18 um das Drehgelenk 52 entlang der Drehrichtung 54, welche die Anlagefläche 19 unterhalb der Ausbringungsöffnung 17 positioniert. Das Anlageelement 18 befindet sich nun in der Nutzungsposition.
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In dieser Ausführungsform ist die Anlagefläche 19 mit einer Krümmung 58 ausgeführt. Der entlang der Ausbringungsrichtung 16 gemessene maximale Abstand x zwischen der Ausbringungsöffnung 17 und der Anlagefläche 19 entspricht in etwa dem zweifachen Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts der Ausbringungsöffnung 17.
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Eine alternative Übertragungseinrichtung 32 ist in den 8-10 dargestellt. Das hier gezeigte Getriebe ermöglicht eine Kombination aus einer translatorischen, entlang der Ausdehnungsrichtung 16 senkrecht nach unten gerichteten Bewegung des Anlageelements 18 mit einer anschließenden Drehung des Anlageelements 18 um das Drehgelenk 52 entlang der Drehrichtung 54 zwecks Erreichens der Nutzungsposition, in welcher die Anlagefläche 19 der Ausbringöffnung zugewandt ist. Dies wird realisiert über eine ausschließlich translatorische und entlang der Bewegungsrichtung 42 gerichtete Bewegung der Schubstange 30.
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Zur Umwandlung dieser Bewegung ist im unteren Bereich der Schubstange 30 eine mit dieser vertikal verschiebliche, horizontal ausgerichtete erste Führung 70 angeordnet, in welcher ein am Anlageelement 18 angeordneter erster Zapfen 80 horizontal verschieblich sowie drehgelenkig gelagert ist. Ein am Anlageelement 18 angeordneter zweiter Zapfen 81 ist in einer an der Ausbringungseinrichtung 14 angeordneten und entlang der Ausbringungsrichtung 16 bzw. vertikal ausgerichteten zweiten Führung 71 verschieblich sowie drehbar gelagert. Eine an der Ausbringungseinrichtung 14 angeordnete dritte Führung 72 umfasst einen geraden Abschnitt 73 und einen bogenförmigen Abschnitt 74. Bei einer horizontalen translatorischen Bewegung der Schubstange 30 erfolgt nun zunächst eine parallele Führung des ersten Zapfens 80 im geraden Abschnitt 73 der dritten Führung 72 sowie des zweiten Zapfens 81 in der zweiten Führung 71. Dabei verbleibt der erste Zapfen 80 in der linken Randposition in der ersten Führung 70. Bei einer Fortführung der translatorischen Bewegung entlang der Bewegungsrichtung 42 wird der erste Zapfen 80 im bogenförmigen Abschnitt 74 der dritten Führung 72 geführt und bewegt sich dabei in der ersten Führung 70 nach links. Durch diese Bewegung erfolgt eine Drehung des Anlageelements 18 um den zweiten Zapfen 81, der in dieser Ausführungsform das Drehgelenk 52 darstellt.
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Die 11-13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Getriebes, mit welchem das Anlageelement 18 von der Nutzungsposition in den Nichtbenutzungsposition und zurück bewegt werden kann. Hierbei ist ein einzelnes Übertragungselement 31 angeordnet, welches mittels des Drehgelenks 79 drehbar am Anlageelement 18 befestigt ist. Zur Rotation des Anlageelements 18 um dessen Drehgelenk 52 an der Ausbringungseinrichtung 14 wird hier das Übertragungselement 31 im Drehgelenk 79 gedreht und gleichzeitig entlang der Bewegungsrichtungen 42, im Wesentlichen entlang seiner Längsachse, translatorisch bewegt. Mit anderen Worten vollführt das Übertragungselement 31 eine pendelnde Bewegung zur Realisierung der Rotation des Anlageelements 18.
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Die 14-16 zeigen eine Ausgestaltung, in welcher eine Schubstange 30 sowie ein Übertragungselement 31, ebenfalls als Schubstange ausgeführt, mittels jeweils eines Drehgelenks 75, 76 drehbar an einem zentral im Drehgelenk 82 drehgelenkig aufgehangenen Hebelelement 46 angeordnet sind. Die jeweils gegenüberliegenden Seiten der Schubstangen 30, 31 sind mittels weiterer Drehgelenke 77, 78 am Anlageelement 18 angeordnet sind. Bei einer Drehung des Hebelelements 46 entlang der Drehrichtung 48 erfolgt somit auch eine Drehung des Anlageelements 18 um dessen an der Ausbringungseinrichtung 14 angeordnetes Drehgelenk 52 entlang der Drehrichtung 54, welche zur Überführung des Anlageelements 18 von der Nichtbenutzungsposition in die Benutzungsposition und zurück geeignet ist. Mit anderen Worten sind in dieser Ausgestaltung zwei redundante, gelenkig befestigte Schubstangen 30, 31 angeordnet, die wie ein Parallelogramm wirken.
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Dabei zeigt 16 eine Ausgestaltung, in der die Anlagefläche 19 zur seitlichen Kontaktierung des gedruckten Mediums 15 geeignet ist, beispielsweise zur Stabilisierung der Form oder zur nachträglichen Glättung der gedruckten Seitenfläche bzw. Seitenkante. In dieser Ausführungsform entspricht der maximale Abstand x zwischen der Ausbringungsöffnung 17 und der Anlagefläche 19 in etwa dem zweifachen Durchmesser der Ausbringungsöffnung 17.
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Die 17 und 18 zeigen eine einfache Ausführungsform der Druckeinrichtung 10, in welcher das Anlageelement 18 fest mit einer Schubstange 30 verbunden ist. Die Schubstange 30 ist um ihre Längsachse drehbar an der Ausbringungseinrichtung 16 gelagert, sodass sie eine Drehung entlang der Drehrichtung 44 realisieren kann, was eine Drehung des Anlageelements 18 entlang dessen Drehrichtung 54 bewirkt. Weiterhin ist die Schubstange 30 entlang ihrer Längsachse verschieblich gelagert, sodass eine translatorische Bewegung entlang der Bewegungsrichtung 42 eine Höhenverstellung des Anlageelements 18 entlang der Bewegungsrichtung 56 bewirkt. Auf diese Weise kann das Anlageelement 18 von der Nichtbenutzungsposition, gezeigt in 17, in die Benutzungsposition überführt werden, welche in 18 dargestellt ist. Zusätzlich ist die gesamte Ausbringungseinrichtung 16 um ihre Längsachse, also um die Ausbringungsrichtung 16 entlang der Drehrichtung 50 drehbar. Somit sind unterschiedliche Winkelpositionen des Anlageelements 18 einstellbar, und die Anlagefläche 19 kann zur Realisierung einer Formgebungsfunktion in unterschiedlichen Winkelpositionen genutzt werden.
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Die 19-22 zeigen eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Druckeinrichtung 10 mit einer Übertragungseinrichtung 32 zur Übertragung einer Bewegung auf das Anlageelement 18. Hierbei ist das Anlageelement 18 mittels einem Drehgelenk 52 an einer Schubstange 30 angeordnet, welche derart ausgerichtet ist, dass sie eine translatorische Bewegung entlang ihrer Längsachse realisieren kann, die parallel zu einer schrägen Kante der Ausbildungseinrichtungen 14 entlang der Bewegungsrichtung 42 ausgerichtet ist. Diese bewirkt eine Bewegung des Anlageelements 18 entlang der Bewegungsrichtung 56.
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Das Anlageelement 18 weist in dieser Ausführungsformen ein Aufprallelement 60 auf, welches dazu eingerichtet ist, in einer unteren Position des Anlageelements 18 an einer an der Ausbildungseinrichtung 14 angeordneten Aufprallkante 62 anzuliegen, wie in 20 dargestellt. Bei der Fortführung der Bewegung der Schubstange 30 entlang der Bewegungsrichtung 42 ergibt sich durch ein Ineinandergreifen des Aufprallelements 60 und der Aufprallkante 62 in der Folge eine Drehbewegung des Anlageelements um das Drehgelenk 52 entlang der Bewegungsrichtung 54. Eine erste Nutzungsposition des Anlageelements 18 ist hierbei in 21 dargestellt, in welcher die Anlagefläche 19 vertikal und somit parallel zur Ausbringungsrichtung 16 ausgerichtet ist. In dieser Ausführungsform kann, wie oben beschrieben, ein seitliches Abstützen des gedruckten Mediums 15 erfolgen.
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Bei einer weiteren Fortführung der Bewegung der Schubstange 30 ergeben sich Positionen des Anlageelements 18, bei welchen die Anlagefläche 19 der Ausbringungsöffnung 17 zugewandt ist. In diesen Positionen kann das Anlageelement 18 als Abstützelement genutzt werden, welches eine schwerkraftbedingte Verformung des ausgebrachten Mediums 15 verhindern kann.
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23 zeigt den Schnitt A-A aus 21 entlang einer vertikalen Blickrichtung. Es wird deutlich, dass das Anlageelement 18 eine Krümmung 58 aufweist, sodass die Anlagefläche 19 zur Kontaktierung der dargestellten gerundeten Druckkonturen 66 eingerichtet ist.
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Eine weitere Ausführungsform ist in den 24-26 gezeigt. Hierbei weist die Druckeinrichtung 10 eine drehbar gelagerte Düse auf. Die Ausbringungsöffnung 17 der Ausbringungseinrichtung 14 ist um die Drehachse 51 entlang der Drehrichtung 50 schwenkbar, was ein Ausbringen des Mediums 15 in beliebigen Ausbringungsrichtungen ermöglicht. Am vorderen, schwenkbaren Teil der Ausbringungseinrichtung 14 ist das Anlageelement 18 mit der Anlagefläche 19 angeordnet. Es ist entlang der Bewegungsrichtung 56 verschieblich, sodass es bei Bedarf ein- bzw. ausgefahren werden kann. Die ausgefahrene Position ist dabei in 25 dargestellt. Dabei ist möglich, dass die Schwenkbewegung entlang der Bewegungsrichtung 50 sowie das Ausfahren des Anlageelements 18 mechanisch bzw. steuerungstechnisch gekoppelt sind.
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In 26 ist die beschriebene Druckeinrichtung 10 bei der Herstellung eines Gegenstands 22 mittels 3D-Drucks gezeigt. Dabei ist die Ausbringungsöffnung 17 der Druckeinrichtung 14 derart zu Seite geschwenkt, dass die Ausbringungsrichtung nahezu horizontal ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird über die Kontaktierung des gedruckten Mediums 15 mittels der Anlagefläche 19, ohne die Nutzung einer Stützstruktur, ein horizontal überkragender Bereich des Gegenstands 22 hergestellt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel entspricht der maximale Abstand x zwischen der Ausbringungsöffnung 17 und der Anlagefläche 19 in etwa dem zweifachen Düsendurchmesser.
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Bezugszeichenliste
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| Druckeinrichtung |
10 |
| Drucksystem |
12 |
| Ausbringungseinrichtung |
14 |
| Medium |
15 |
| Ausbringungsrichtung |
16 |
| Ausbringungsöffnung |
17 |
| Anlageelement |
18 |
| Anlagefläche |
19 |
| Halteeinrichtung |
20 |
| Gegenstand |
22 |
| Schubstange |
30 |
| Übertragungselement |
31 |
| Übertragungseinrichtung |
32 |
| Stützstruktur |
34 |
| Bewegungsrichtung des Druckkopfes |
40 |
| Bewegungsrichtung der Übertragungseinrichtung |
42 |
| Drehrichtung des Übertragungselements |
44 |
| Hebelelement |
46 |
| Drehrichtung der Drehscheibe |
48 |
| Drehrichtung der Ausbringungseinrichtung |
50 |
| Drehachse der Ausbringungseinrichtung |
51 |
| Drehgelenk des Anlageelements |
52 |
| Drehrichtung des Anlageelements |
54 |
| Bewegungsrichtung des Anlageelements |
56 |
| Krümmung des Anlageelements |
58 |
| Aufprallelement |
60 |
| Aufprallkante |
62 |
| Druckebene |
64 |
| Druckkontur |
66 |
| Erste Führung |
70 |
| Zweite Führung |
71 |
| Dritte Führung |
72 |
| Gerader Abschnitt |
73 |
| Bogenförmiger Abschnitt |
74 |
| Erstes Drehgelenk |
75 |
| Zweites Drehgelenk |
76 |
| Drittes Drehgelenk |
77 |
| Viertes Drehgelenk |
78 |
| Drehgelenk |
79 |
| Erster Zapfen |
80 |
| Zweiter Zapfen |
81 |
| Drehgelenk |
82 |
| Winkel |
α |
| Maximale Weite |
w |
| Abstand |
x |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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