DE102018001213A1

DE102018001213A1 - Einrichtung und Verfahren zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper auf einem Träger

Info

Publication number: DE102018001213A1
Application number: DE102018001213.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Brumm; Jonas Kimme
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2019-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft Einrichtungen und Verfahren zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper auf einem Träger.Die Einrichtungen und Verfahren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, aus einem Draht einen dreidimensionalen Körper generativ aufzubauen.Dazu sind eine Vorrichtung zur Zuführung eines Drahtes mit einem Antrieb zum Transport des Drahtes und ein Induktor als Spule in Verbindung mit einem Generator zur Erwärmung des Endenbereichs des Drahtes bis zur Ablösung eines Tropfens durch Wirken des Pinch-Effekts so angeordnet, dass der Tropfen auf den Träger und/oder den Körper gelangt und sich mit diesem zu einem Körper verbindet. Weiterhin sind der Antrieb und der Generator mit einer Steuerung verbunden.Zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper auf einem Träger erfolgt eine Förderung eines Drahtes in Richtung Träger und/oder Körper und ein Erhitzen eines Endenbereichs des Drahtes mit einem Induktor bis zur Bildung und Ablösung des sich ausbildenden Tropfens aus dem Endenbereich des Drahtes.

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen und Verfahren zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper auf einem Träger.
Durch die Druckschrift DE 21 2013 000 148 U1 ist ein System zur Verwendung von Induktionserwärmung zum Erwärmen eines Verbrauchsmaterials während eines Warmdrahtprozesses bekannt. Dabei wird ein Fülldraht kontinuierlich über einen konventionellen Drahtförderer durch einen mehrwindigen Induktor zum Vorwärmen des Drahtes vorgeschoben. Ein Aufschmelzen des Drahtes und des Substrates erfolgt mittels eines Lasers, wobei eine partiell flüssige Phase erzeugt wird. Der vorgewärmte und sich noch in der festen Phase befindliche Draht wird in das Schmelzbad des Substrats hinein gedrückt.
In der Druckschrift US 2017/232 550 A1 wird ein Verfahren zum additiven Aufbau eines Körpers offenbart. Der Körper wird aus einem Fülldraht aufgebaut, der stark beschleunigt auf den Körper zu bewegt wird. Die Verbindung mit dem Körper und das über eine Pinchkraft wirkende Abreißen des Drahtendenbereichs erfolgt durch die kinetische Energie während der Stoßschweißung.
Die Druckschrift US 2017/252 826 A1 beinhalten ein 3D-Drucksystem, bei dem ein Metalldraht in eine Kammer geführt wird und dort mittels Elektroden und ein wirkendes Magnetfeld aufgeschmolzen wird.
Der in den Patentansprüchen 1 und 9 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus einem Draht einen dreidimensionalen Körper generativ aufzubauen.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 9 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Einrichtungen und Verfahren zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper auf einem Träger zeichnen sich insbesondere dadurch aus, aus einem Draht einen dreidimensionalen Körper generativ aufzubauen.
Dazu sind eine Vorrichtung zur Zuführung eines Drahtes mit einem Antrieb zum Transport des Drahtes und ein Induktor als Spule in Verbindung mit einem Generator zur Erwärmung des Endenbereichs des Drahtes bis zur Ablösung eines Tropfens durch Wirken des Pinch-Effekts so angeordnet, dass der Tropfen auf den Träger und/oder den Körper gelangt und sich mit diesem zu einem Körper verbindet. Weiterhin sind der Antrieb und der Generator mit einer Steuerung verbunden.
Zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper auf einem Träger erfolgt eine Förderung eines Drahtes in Richtung Träger und/oder Körper und ein Erhitzen eines Endenbereichs des Drahtes mit einem Induktor bis zur Bildung und Ablösung des sich ausbildenden Tropfens aus dem Endenbereich des Drahtes.
Dabei handelt es sich um eine Einrichtung und ein Verfahren zur generativen Fertigung von metallischen dreidimensionalen Körpern und/oder Strukturen durch induktives Drahtschmelzen. Dazu wird ein Draht mit Hilfe einer Fördereinrichtung durch eine Induktionsspule gefördert und abgeschmolzen. Die Ablösung erfolgt als Tropfen des Endenbereichs des Drahtes durch den Effekt der Einschnürung. Der abschmelzende Endenbereich des Drahtes ist mittels des Induktors von einem Magnetfeld umgeben. Am flüssigen Ende des Drahtes wird dieser sofort eingeschnürt, das zum Ablösen des flüssigen Materials als Tropfen führt. Dieser gelangt auf den Träger und/oder den Körper, so dass eine Struktur und/oder der Körper durch die nacheinander Folge der Tropfen aufgebaut wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 und 10 angegeben.
Die Einrichtung zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 wenigstens eine Heizeinrichtung zum Erwärmen wenigstens eines Bereichs des Trägers und/oder des Körpers und/oder des Drahtes in dessen Transportrichtung vor dem Induktor auf. Damit können wenigstens Bestandteile des Körpers und des Tropfens zur Bildung des erweiterten Körpers sicher sich durch Schmelzen und/oder Sintern verbinden. Darüber hinaus oder in Ergänzung kann auch wenigstens ein Bereich des Drahtes mittels der Heizeinrichtung während des Transports erwärmt und damit vorgeheizt werden. Als Heizeinrichtung kann ein weiterer Induktor als ein zweiter Induktor, eine Quelle für elektromagnetische Wellen, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Lichtbogens, ein Heizelement einzeln oder in einer Kombination verwendet werden. Weiterhin kann der Induktor auch zur Erwärmung eines Bereiches des Körpers und/oder des Trägers dienen. Vorteilhafterweise kann der Induktor dazu mittels eines Antriebs bewegt werden.
Die Vorrichtung zur Zuführung eines Drahtes weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein Richtwerk auf. Der Draht wird gerichtet und kann so positionsgenau zugeführt werden.
Der Induktor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 eine Spule mit einem Magnetfeldkonzentrator. Im einfachsten Fall kann die Spule eine offene Ringform sein, so dass eine Windung vorhanden ist.
Der Induktur besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 eine Drahtführung, so dass der Draht und damit der daraus ausgebildete Tropfen positionsgenau zum Träger bewegbar ist. Dazu kann der Induktor beispeilsweise eine Führungshülse aufweisen.
Der Induktor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 mit einer wenigstens einen Antrieb aufweisenden Vorrichtung zur Höhenverstellung gegenüber dem Träger und/oder Körper verbunden, der weiterhin mit der Steuerung verbunden ist.
Die Vorrichtung zur Zuführung eines Drahtes und der Induktor und/oder der Träger sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 mit einer Positioniervorrichtung mit wenigstens einem Antrieb verbunden, der weiterhin mit der Steuerung zusammengeschaltet ist. Damit kann der Körper leicht in drei Raumachsen aufgebaut werden.
Wenigstens ein Bereich mit dem dreidimensionalen Körper weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 eine Schutzgasatmosphäre auf. Diese verhindert insbesondere eine nicht gewollte Reaktion des sich aufbauenden Körpers mit Bestandteilen der diesen umgebenden Atmosphäre. Insbesondere kann so eine Oxydation verhindert werden.
Wenigstens ein Bereich des Drahtes wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 während der Förderung mit wenigstens einer Heizeinrichtung erwärmt. Der Draht wird vorgewärmt, so dass eine sichere Tropfenbildung gewährleistet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine Einrichtung zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper auf einem Träger und
2 ein Induktor zur Ablösung eines Tropfens.

Im nach folgenden Ausführungsbeispiel werden eine Einrichtung und ein Verfahren zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper 1 auf einem Träger 2 zusammen näher erläutert.
Eine Einrichtung zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper 1 auf einem Träger 2 besteht im Wesentlichen aus einer Vorrichtung zur Zuführung eines Drahtes 3, einem Induktor 4 und einer Steuerung 5.
Die 1 zeigt eine Einrichtung zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper 1 auf einem Träger 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
Die Vorrichtung zur Zuführung des Drahtes 3 umfasst einen Antrieb 6 zur Realisierung des Drahtvorschubs, ein Richtwerk 7 und ein Drahtmagazin 8, welches beispielsweise eine Trommel mit dem darauf aufgewickelten Draht 3 sein kann. Das Richtwerk 7 kann dazu bekannterweise drei Rollen aufweisen.
Zur Realisierung des Körpers 1 befindet sich der Induktor 4 über dem Träger 2 des generativ aufzubauenden und nach Aufbau des realisierten Körpers 1. Der Induktor 4 ist als Spule ausgebildet und mit einem Generator 9 verbunden, welcher weiterhin mit der Steuerung 5 verbunden ist.
Die 2 zeigt einen Induktor 4 zur Ablösung eines Tropfens 10 in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Induktor 4 selbst ist als eine Spule 11 mit einem Magnetfeldkonzentrator 12 und einer Drahtführung ausgebildet. Die Drahtführung kann dazu eine Führungshülse 13 sein. Damit wird der Draht 3 durch den Induktor 4 geführt und mittels der Vorrichtung zur Zuführung des Drahtes 3 in Richtung Träger 2 und/oder Körper 1 gefördert.
Mit dem Induktor 4 erfolgt das Eritzen des Endenbereichs des Drahtes 3 bis zur Bildung und Ablösung des sich ausbildenden Tropfens 10 aus dem Endenbereich des Drahtes 3. Dabei kann der Endenbereich des Drahtes 3 während des Erhitzens in Höhe gegenüber dem Träger 2 und/oder Körper 1 oszillierend bewegt werden. Die Ausbildung und Ablösung des Tropfens 10 basiert auf Wirken des Pinch-Effekts. Der Tropfen 10 gelangt so auf den Träger 2 und/oder den Körper 1 und verbindet sich mit diesem zu dem mit dem Tropfen erweiterten Körper 1.
Somit handelt es sich um eine Einrichtung und ein Verfahren zur generativen Fertigung von metallischen, dreidimensionalen Strukturen durch induktives Drahtschmelzen. Hierbei wird der Draht 3 als Massivdraht oder Fülldraht durch den Induktor 4 als eine Induktionsspule gefördert und abgeschmolzen. Die Oberflächenaktivierung des bis dahin aufgebauten Körpers 1 geht dabei idealerweise ebenfalls durch den Induktor 4 selbst vonstatten, wobei alternativ auch eine externe Heizeinrichtung nutzbar ist. Damit können die folgenden Schritte erfolgen.

- Einschalten des Generators 9 als Induktionsgenerators 9 zum Erhitzen des Drahtes 3 auf Rotglut,
- Starten des Drahtvorschubes mit einer Vor- und Zurückbewegung des Drahtes 3 im Induktor 4,
- Ausschalten des Generators 9,
- Stoppen der Vor- und Zurückbewegung,
- Starten des Drahtvorschubes mit einer Drahtförderung in Richtung Träger 2,
- Stoppen des Drahtvorschubes und
- Einschalten des Generators 9 zur Ablösung des Tropfens 10 durch den Pinch-Effekt des elektrischen Feldes.

Die Erwärmung des durch die Vor- und Zurückbewegung (oszillierende Bewegung) des Drahtes 3 kann mit einer einen Bereich des Drahtes 3 vorheizenden Heizeinrichtung in Transportrichtung des Drahtes 3 vor dem Induktor 4 entfallen oder ergänzt werden. Bei Wegfall der oszillierenden Bewegung des Drahtes 3 kann eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Bewegung des Drahtes 3 erfolgen.
Zum Einsatz kann beispielsweise ein Draht 3 mit einem Durchmesser größer/gleich 0,3 mm bis gleich/kleiner 10 mm, insbesondere im Bereich jeweils einschließlich 0,5 mm bis 6 mm, kommen.
Die Vorrichtung zur Zuführung des Drahtes 3 und der Induktor 4 und/oder der Träger 2 kann oder können mit einer Positioniervorrichtung 14 mit wenigstens einem Antrieb verbunden sein, der weiterhin mit der Steuerung 5 zusammengeschaltet ist.
In einer Ausführungsform der Einrichtung zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper kann eine Heizeinrichtung zum Erwärmen wenigstens eines Bereichs des Trägers 2 und/oder des Körpers 1 vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 212013000148 U1 [0002]
US 2017232550 A1 [0003]
US 2017252826 A1 [0004]

Claims

Einrichtung zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper (1) auf einem Träger (2) mit einer Vorrichtung zur Zuführung eines Drahtes (3) mit einem Antrieb (6) zum Transport des Drahtes (3), einem Induktor (4) als Spule (11) in Verbindung mit einem Generator (9) zur Erwärmung des Endenbereichs des Drahtes (3) bis zur Ablösung eines Tropfens (10) durch Wirken des Pinch-Effekts, so dass der Tropfen (10) auf den Träger (2) und/oder den Körper (1) gelangt und sich mit diesem zu einem Körper (1) verbindet, und einer Steuerung (5) in Verbindung mit dem Antrieb (6) und dem Generator (9).
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper (1) wenigstens eine Heizeinrichtung zum Erwärmen wenigstens eines Bereichs des Trägers (2) und/oder des Körpers (1) und/oder des Drahtes (3) in dessen Transportrichtung vor dem Induktor (4) aufweist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Zuführung eines Drahtes (3) ein Richtwerk (7) aufweist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (4) eine Spule (11) mit einem Magnetfeldkonzentrator (12) ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktur (4) eine Drahtführung besitzt.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (4) mit einer wenigstens einen Antrieb aufweisenden Vorrichtung zur Höhenverstellung gegenüber dem Träger (2) und/oder Körper (1) verbunden ist und dass dieser Antrieb mit der Steuerung 5 verbunden ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Zuführung eines Drahtes (3) und der Induktor (4) und/oder der Träger (2) mit einer Positioniervorrichtung (14) mit wenigstens einem Antrieb verbunden sind, der mit der Steuerung (5) zusammengeschaltet ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich mit dem dreidimensionalen Körper (1) eine Schutzgasatmosphäre aufweist.
Verfahren zur generativen Herstellung dreidimensionaler Körper (1) auf einem Träger (2) mit den Schritten: - Förderung eines Drahtes (3) in Richtung Träger (2) und/oder Körper (1) und - Erhitzen eines Endenbereichs des Drahtes (3) mit einem Induktor (4) bis zur Bildung und Ablösung des sich ausbildenden Tropfens (10) aus dem Endenbereich des Drahtes (3).
Verfahren nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich des Drahtes (3) während der Förderung mit wenigstens einer Heizeinrichtung erwärmt wird.