DE102017211279A1

DE102017211279A1 - Verfahren und Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks

Info

Publication number: DE102017211279A1
Application number: DE102017211279.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Dueformantel; Hendrik Jahnle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2019-01-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks (10), umfassend eine beheizbare Baukammer (2), eine Verstellvorrichtung (5), zumindest einen Druckkopf (3) und eine Aufnahmevorrichtung (4) zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks (10).
Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Verstellvorrichtung (5) Ausnehmungen (6) zur Aufnahme eines Kühlmediums (7) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils gemäß Anspruch 11.
Stand der Technik
Bei der additiven Fertigung bzw. beim 3D-Drucken werden flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut. Beispielsweise können thermoplastische Werkstoffe, insbesondere thermoplastische Kunststoffe, eingesetzt werden, die durch Erhitzen zunächst verflüssigt werden. Der flüssige Werkstoff wird dann selektiv auf Stellen aufgebracht, an denen das Werkstück entstehen soll. Mit dem Abkühlen verfestigt sich der Werkstoff wieder.
Eine solche Vorrichtung umfasst einen Druckkopf, in dem das Ausgangsmaterial druckfertig aufbereitet wird. Weiterhin sind Achssysteme zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, bekannt. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.
Einige thermoplastische Werkstoffe neigen dazu, beim Abkühlen zu schwinden. Das Schwinden führt zu abweichenden Abmessungen des fertigen Werkstücks. Um dem entgegenzuwirken, sind sogenannte 3D-Drucker mit beheizbaren Baukammern bekannt, so dass eine konstante Temperierung der Baukammer während des Druckvorgangs möglich ist.
Zur Vermeidung des Aufheizens von Bauteilen, insbesondere des Achssystems außerhalb der Baukammer ist diese üblicherweise thermisch durch groß dimensionierte Dämmstoffplatten isoliert.
Nachteilig an dieser Lösung ist das hohe Gewicht der Dämmplatten, durch das beispielsweise die Druckgeschwindigkeit negativ beeinflusst wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die additive Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem thermoplastischen Werkstoff effizienter und damit kostengünstiger gestaltet.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks gemäß Anspruch 11 erfüllt.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks umfasst eine beheizbare Baukammer, eine Verstellvorrichtung, zumindest einen Druckkopf und eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks. Erfindungsgemäß weist die Verstellvorrichtung Ausnehmungen zur Aufnahme eines Kühlmediums auf.
Durch die beheizte Baukammer wird in vorteilhafter Weise eine Schwindung der additiv gefertigten Werkstücke in der Baukammer verringert, so dass der Druckprozess stabilisiert wird und eine Wiederholbarkeit der Druckergebnisse verbessert wird. Die erfindungsgemäße Ausführung von Ausnehmungen zur Aufnahme eines Kühlmediums in der Verstellvorrichtung sorgt in vorteilhafter Weise für eine Kühlung der Verstellvorrichtung und somit einer thermischen Abkopplung der Verstellvorrichtung zur beheizten Baukammer. Eine thermische Trennung zwischen der beheizten Baukammer und der Verstellvorrichtung ist notwendig, da für handelsübliche Verstellvorrichtungen, wie beispielsweise Linearachssystemen, lediglich Temperaturen von ca. 60°C zulässig sind und die Baukammer Temperaturen von über 200°C aufweisen kann.
Durch die Ausnehmungen zur Aufnahme des Kühlmediums kann in vorteilhafter Weise auf schwere Dämmmaterialien verzichtet werden so dass die Agilität der Verstellvorrichtung nicht durch zusätzliches Gewicht beeinträchtigt wird. Je leichter der zu bewegende Druckkopf inklusive der Verstellvorrichtung und Kühlmittel ist, desto höhere Druckgeschwindigkeiten sind möglich.
In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Verstellvorrichtung ein x-y-Achssystem mit einer Druckkopfaufnahme und ein z-Achssystem.
Das x-y-Achssystem sorgt in vorteilhafter Weise für eine präzise Verstellung des Druckkopfs zur Aufnahmevorrichtung auf der x-y-Ebene, um eine Schicht, bzw. Ebene des Werkstücks herzustellen. Die dritte Dimension in z-Richtung wird durch das z-Achssystem erreicht. Besonders vorteilhaft ist die Anordnung der Druckkopfaufnahme am x-y-Achssystem, wodurch eine Befestigung des Druckkopfes am Achssystem erreicht wird. Die Druckkopfaufnahme kann mehrteilig ausgebildet sein und einen Montageschlitten umfassen. Die Druckkopfaufnahme ist in vorteilhafter Weise derart ausgebildet, dass sie den Druckkopf aufnimmt und der Montageschlitten dient in vorteilhafter Weise als Schnittstelle zwischen einem x-y-Achssystem und dem Druckkopf, bzw. der Druckkopfaufnahme.
In einer Weiterbildung ist das x-y-Achssystem oberhalb des Werkstücks und außerhalb der beheizten Baukammer angeordnet. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine thermische Trennung zwischen der beheizten Baukammer und dem x-y-Achssystem erreicht.
In einer Weiterbildung ist das z-Achssystem unterhalb des Werkstücks und außerhalb der beheizten Baukammer angeordnet ist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine thermische Trennung zwischen der beheizten Baukammer und dem z-Achssystem erreicht.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Ausnehmungen zur Aufnahme eines Kühlmediums innerhalb der Druckkopfaufnahme angeordnet sind. Durch die Anordnung der Ausnehmungen in der Druckkopfaufnahme kann in vorteilhafter Weise auf zusätzliche Dämmmaterialen und Bauteile verzichtet werden, wodurch die Druckkopfaufnahme kein zusätzliches Gewicht zur thermischen Trennung der Verstellvorrichtung zur beheizten Baukammer aufweist, wodurch die Verstellvorrichtung in der Lage ist, hohe Beschleunigungen und dadurch hohe Druckgeschwindigkeiten zu erreichen.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Ausnehmungen eine Fluidverbindung mit einem Kanal der Druckkopfaufnahme außerhalb der beheizten Baukammer aufweisen und dieser mit einem Kühlsystem des Druckkopfs eine Fluidverbindung aufweist. Dadurch kann die Druckkopfaufnahme in vorteilhafter Weise an ein vorhandenes Kühlsystem des Druckkopfes oder der Druckvorrichtung angeschlossen werden, wodurch die Ausnehmungen durch vorhandene Kühlmedien durchströmt werden können, um eine thermische Trennung der Baukammer zu seiner Umgebung, bzw. benachbarten Bauteilen zu erreichen.
Durch diese Art einer aktiven Kühlung, bzw. Durchflutung können alternativ zu herkömmlichen schweren Dämmmaterialien, die Temperaturen von über 220°C standhalten müssen, auch leichtere passive Dämmmaterialien wie PA12 mit Schmelzpunkten unterhalb von ca. 190°C verbaut werden. Dadurch können Gewicht und Bauteilkosten eingespart werden.
In einer Weiterbildung weisen die Ausnehmungen eine Fluidverbindung mit einem Kanal eines Gehäuseteils des Druckkopfs innerhalb der beheizten Baukammer auf. Das Gehäuseteil des Druckkopfs ist in vorteilhafter Weise als Flansch ausgebildet und der Kanal in dem Gehäuseteil sorgt in vorteilhafter Weise für eine Kühlung des Flansches und somit für eine Kühlung des Druckkopfs.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Kühlsystem des Druckkopfs an ein Druckluftsystem angeschlossen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise auf ein vorhandenes Druckluft-, bzw. Kühlsystem der Druckvorrichtung zugegriffen werden, was eine zusätzliche Kühlmedienzufuhr vermeidet, wodurch Kosten gespart werden können.
Eine weitere Ausführung sieht vor, dass das Kühlsystem des Druckkopfs an ein Kühlwassersystem angeschlossen ist. Kühlwasser eignet sich in vorteilhafter Weise sehr gut, um Wärme aufzunehmen und über einen Kühlkreislauf abzugeben.
In einer Weiterbildung sind die Ausnehmungen in der Druckkopfaufnahme als Kanäle ausgebildet. Kanäle, bzw. Kühlkanäle eignen sich in vorteilhafter Weise sehr gut, um ein Fluid hindurch zu führen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele vorgeschlagen.
Figurenliste
Es zeigen:

1 Eine Konstruktionszeichnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks und
2 eine Schnittzeichnung der Vorrichtung.

Ausführungsbeispiele
Die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10 umfasst eine beheizte Baukammer 2, eine Verstellvorrichtung 5, einen Druckkopf 3 und eine Aufnahmevorrichtung 4 zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks 10. Die Verstellvorrichtung 5 umfasst ein oberhalb des Werkstücks 10 angeordnetes x-y-Achssystem 15 mit einer Druckkopfaufnahme 25 zur Verstellung des Druckkopfs 3 in einer x-y-Ebene und ein unterhalb des Werkstücks angeordnetes z-Achssystem 35 zur Verstellung der Aufnahmevorrichtung 4 in z-Richtung.
Die Verstellvorrichtung 5 sorgt durch ihre Bewegungen des Druckkopfes und der Aufnahmevorrichtung für die dreidimensionale Herstellung des Werkstücks auf der Aufnahmevorrichtung 5, bzw. der sogenannten Substratplatte. Hierzu wird ein beispielsweise thermoplastischer Werkstoff verflüssigt und schichtweise auf den Substratträger 4 aufgetragen, so dass das zu fertigende Werkstück 10 entsteht.
Zu Beginn eines Druckvorgangs wird die Baukammer 2 auf Prozesstemperatur erhitzt, beispielsweise mittels eines nicht dargestellten integrierten Heizsystems. Gedruckt wird auf einen Substratträger 4, der speziell beschichtet ist, um die Haftung des verflüssigten thermoplastischen Werkstoffs auf der Oberfläche des Substratträgers 4 zu verbessern. Der Substratträger 4 liegt innerhalb der Baukammer 23 auf einem Druckbett auf. Über ein Vakuum oder einen Anschlagbolzen kann er in Position gehalten werden.
2 zeigt eine Schnittzeichnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung des dreidimensionalen Werkstücks 10.
Der außerhalb der beheizten Baukammer 2 liegende Bereich des Druckkopfs 3 weist den Druckkopf 3 auf, wobei dieser in einer Druckkopfaufnahme 25 der Verstellvorrichtung 5 angeordnet ist. Die Verstellvorrichtung 5 umfasst das x-y-Achssystem 15 mit der Druckkopfaufnahme 25. Die Druckkopfaufnahme 25 umfasst einen Montageschlitten, in dem Ausnehmungen 6 zur Aufnahme eines Kühlmediums 7 ausgebildet sind.
Die Ausnehmungen 6 in dem Montageschlitten sind als Kanäle, bzw. Kühlkanäle 6 ausgebildet und weisen eine Fluidverbindung mit einem Kanal 19 der Druckkopfaufnahme 25 außerhalb der beheizten Baukammer 2 auf. Der Kanal 19 weist wiederum eine Fluidverbindung mit einem Kühlsystem 9 des Druckkopfs 3 auf. Das Kühlsystem 9 pumpt das Kühlmedium 7 über einen Anschluss des Kanals 19 der Druckkopfaufnahme 25 durch die Kühlkanäle 6 des Montageschlittens weiter durch einen Kanal 18 eines Gehäuseteils 8 des Druckkopfs 3, der sich innerhalb der beheizten Baukammer 2 befindet. Das Gehäuseteil 8 ist als Flansch ausgebildet und sorgt für eine Kühlung des Bereichs des Druckkopfs 3, der sich innerhalb der beheizten Baukammer 2 befindet.
Die Kühlkanäle 6 sind an der Trennstelle zwischen der Baukammer 2 und des oberen Bereichs des Druckkopfs 3 angeordnet, um die Bauteile der Verstellvorrichtung 5, insbesondere den Montageschlitten der Druckkopfaufnahme 25 und das x-y-Achssystem 15, thermisch von der beheizten Baukammer 2 zu trennen.
Das Kühlmedium 7 kann aus einem Druckluftsystem oder einem Kühlwassersystem bereitgestellt werden.

Claims

Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks (10), umfassend eine beheizbare Baukammer (2), eine Verstellvorrichtung (5), zumindest einen Druckkopf (3) und eine Aufnahmevorrichtung (4) zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (5) Ausnehmungen (6) zur Aufnahme eines Kühlmediums (7) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (5) ein x-y-Achssystem (15) mit einer Druckkopfaufnahme (25) und ein z-Achssystem (35) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das x-y-Achssystem (15) oberhalb des Werkstücks (10) und außerhalb der beheizten Baukammer (2) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das z-Achssystem (35) unterhalb des Werkstücks (10) und außerhalb der beheizten Baukammer (2) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (6) zur Aufnahme eines Kühlmediums (7) innerhalb der Druckkopfaufnahme (25) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (6) eine Fluidverbindung mit einem Kanal (19) der Druckkopfaufnahme (25) außerhalb der beheizten Baukammer (2) aufweisen und dieser mit einem Kühlsystem (9) des Druckkopfs (3) eine Fluidverbindung aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (6) eine Fluidverbindung mit einem Kanal (18) eines Gehäuseteils (8) des Druckkopfs (3) innerhalb der beheizten Baukammer (2) aufweisen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (9) des Druckkopfs (3) an ein Druckluftsystem angeschlossen ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem des Druckkopfs (3) an ein Kühlwassersystem angeschlossen ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (6) in der Druckkopfaufnahme (25) als Kanäle ausgebildet sind.
Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks (10) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.