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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker, aufweisend einen trichterförmigen Vorratsbehälter zur Bevorratung eines partikelförmigen Baumaterials, welcher eine zu einem Baufeld ausgerichtete Öffnung aufweist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker, wobei das partikelförmige Baumaterial aus einem in Richtung eines Baufeldes eine Öffnung aufweisenden trichterförmigen Vorratsbehälter auf das Baufeld schichtweise aufgetragen wird.
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Bekannt ist es, zur Herstellung einzelner oder serienmäßiger Bauteile, Werkstücke oder Formen einen sogenannten 3D-Druck bzw. ein sogenanntes 3D-Druckverfahren einzusetzen. Bei derartigen Druckverfahren werden dreidimensionale Bauteile oder Werkstücke schichtweise aufgebaut hergestellt.
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Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Vorgaben für die zu druckenden Bauteile oder Werkstücke können beispielsweise von sogenannten rechnerunterstützten Konstruktionssystemen (CAD engl. computer-aided design) bereitgestellt werden.
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Beim Druck der 3D-Strukturen bzw. 3D-Bauteilen finden physikalische oder chemische Härtungsprozesse oder ein Schmelzprozess statt. Als Werkstoffe für derartige 3D-Druckverfahren werden Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle eingesetzt.
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Bei der Umsetzung von 3D-Druckverfahren sind verschiedene Fertigungsverfahrensabläufe bekannt.
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Mehrere dieser Verfahrensabläufe umfassen jedoch die nachfolgend beispielhaft dargestellten Verfahrensschritte:
- • Teil- oder vollflächiges Auftragen von partikelförmigem Baumaterial, auch als Partikelmaterial bezeichnet, auf ein sogenanntes Baufeld, um eine Schicht aus nichtverfestigtem Partikelmaterial zu bilden;
- • Selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht aus nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial in vorbestimmten Teilbereichen, beispielsweise durch ein selektives Verdichten, Aufdrucken oder Aufbringen von Behandlungsmittel, wie beispielsweise einem Bindemittel oder Einsatz von Laser;
- • Wiederholung der vorhergehenden Verfahrensschritte in einer weiteren Schichtebene zum schichtweisen Aufbau des Bauteils oder Werkstücks. Hierfür ist es vorgesehen, das Bauteil oder Werkstück, welches auf dem Baufeld schichtweise aufgebaut bzw. aufgedruckt wird, mit dem Baufeld jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke abzusenken oder die 3D-Druckvorrichtung jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke gegenüber dem Baufeld anzuheben, bevor eine neue Schicht teil- oder vollflächig aufgetragen wird;
- • Nachfolgendes Entfernen von losem, nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial, welches das gefertigte Bauteil oder Werkstück umgibt.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung einer 3D-Struktur bzw. zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial auf ein Baufeld zur Erzeugung einer 3D-Struktur bekannt.
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Aus der
DE 10 2005 022 308 A1 sind ein Beschichter und ein Verfahren zum Auftragen von pulverförmigen Schichten in einer Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen Materials an den dem jeweiligen Querschnitt des Objekts entsprechenden Stellen bekannt.
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Die zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen Baumaterials bereitzustellen, mit der bzw. mit dem die Bauzeit für das dreidimensionale Objekt verkürzt werden kann.
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Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung einen über einem Baufeld verfahrbaren Beschichter zum Aufbringen der Schichten des pulverförmigen Baumaterials in dem Baufeld auf. Der Beschichter ist mit einer steifen Klinge ausgebildet, die starr mit dem Beschichter verbunden ist. Zum Vorwärmen des pulverförmigen Baumaterials ist der Beschichter mit einer Heizeinrichtung versehen, die zumindest teilweise in den Beschichter integriert ist. Dadurch ist es möglich, das Pulver schon während oder vor dem Auftragen als Schicht vorzuwärmen und damit die Gesamtbauzeit für das dreidimensionale Objekt zu verkürzen.
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Aus der
DE 10 2016 202 696 A1 ist eine Vorrichtung zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen bekannt, bei welcher ein Pulverbett schichtweise sukzessive aufgebaut und jede einzelne Schicht mit einem zweidimensional auslenkbaren Energiestrahl so beeinflusst wird, dass eine lokal definierte Verfestigung des jeweils eingesetzten pulverförmigen Werkstoffs durch eine Sinterung oder ein temporäres Schmelzen, mit dem das Pulverbett ausgebildet wird, erreicht wird.
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Hierbei sollen die Herstellungskosten bei diesem additiven Herstellungsverfahren reduziert werden, was insbesondere durch die Ermöglichung des Einsatzes kostengünstiger pulverförmiger Werkstoffe mit geringeren Anforderungen an die Herstellung und Lagerung erreicht werden soll. Weiterführend soll es möglich sein, Pulver mit geringerer Korngröße zu verarbeiten, wodurch sich eine geringere Oberflächenrauheit erreichen lässt.
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Für die Ausbildung der einzelnen mit dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten mit konstanter vorgebbarer Schichtdicke ist mindestens ein Beschichtungselement, das ausgehend von einem Reservoir für den pulverförmigen Werkstoff in einer Achsrichtung parallel und in einem vorgebbaren Abstand zur Oberfläche eines Pulverbettträgers, in dem das Pulverbett sukzessive mit den einzelnen aus dem pulverförmigen Werkstoff gebildeten Schichten aufgenommen ist, bewegbar. Das mindestens eine Beschichtungselement ist während der Bewegung zur Ausbildung jeweils einer Schicht und/oder der Pulverbettträger in Schwingung versetzbar. Allein oder zusätzlich dazu kann durch das mindestens eine Beschichtungselement und/oder den Pulverbettträger eine Gasströmung durch oder auf den pulverförmigen, die gesamte jeweilige Schicht und/ oder den das gesamte Pulverbett bildenden Werkstoff gerichtet sein.
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Aus der
WO 2016/095888 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Formteile mittels Schichtaufbautechnik bekannt, wobei der Feuchtegehalt der Baumaterialmischung geregelt werden kann.
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Es soll ein Verfahren und ein Materialsystem bereitgestellt werden, mit welchem gleichbleibende Materialeigenschaften, insbesondere die Fließeigenschaften des Baumaterials, während des Aufbauprozesses sichergestellt werden können.
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Daher ist es vorgesehen, dass das partikelförmige Baumaterial mittels eines Beschichters in einer definierten Schichtstärke auf ein Baufeld aufgetragen wird. Weiterhin wird über einen Druckkopf Binderflüssigkeit selektiv auf das Baumaterial aufgetragen, wobei die Binderflüssigkeit mittels in den Sand eingebrachtem mindestens einem Aktivator polymerisiert wird. Vorgesehen ist es auch, dass das Baufeld um die Schichtstärke abgesenkt wird oder der Beschichter um eine Schichtstärke angehoben wird und diese Schritte wiederholt werden, bis das gewünschte Formteil erzeugt ist, wobei in das Baumaterial, die Binderflüssigkeit oder/und in dem Aktivator Mittel eingebracht werden oder sind, mit denen der Feuchtegehalt der Baumaterialmischung geregelt werden kann.
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In diesem Verfahren wird die Feuchtigkeit im Sand geregelt. Insbesondere werden der Wassergehalt und der Flüssigkeitsgehalt geregelt oder zumindest stabilisiert. Derart sollen im Wesentlichen immer gleiche chemische und physikalische Eigenschaften bei der Herstellung der dreidimensionalen Formteile erzielt werden.
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Die Nachteile dieses bekannten Standes der Technik bestehen darin, dass beispielsweise vibrationserzeugende Bauteile zum Ausbringen des partikelförmigen Baumaterials im Zusammenwirken mit einem Vorratsbehälter benötigt werden, welche aufwendig und mechanisch anfällig sind.
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Ebenso ist die Steuerung der aus dem Vorratsbehälter auszubringenden Menge für die aktuelle und definierte Schichtstärke des partikelförmigen Baumaterials aufwendig.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Anordnung und ein Verfahren zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker anzugeben, womit ein gleichmäßiges Auftragen des partikelförmigen Baumaterials auf einem Baufeld eines 3D-Druckers erreicht sowie die Steuerung und der Aufwand bei der Herstellung der Anordnung verringert werden.
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Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 6 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen 7 bis 10 angegeben.
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Die Erfindung sieht vor, dass in der Anordnung zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker, welche nachfolgend auch vereinfacht als Beschichter bezeichnet wird, ein trichterförmiger Vorratsbehälter zur Bevorratung des partikelförmigen Baumaterials zum Einsatz kommt. Dieser trichterförmige Vorratsbehälter ist als ein längsersteckter trichterförmiger Vorratsbehälter ausgebildet und derart über dem Baufeld eines 3D-Druckers angeordnet, dass seine Öffnung bzw. der Ausgang für das partikelförmige Baumaterial in der Richtung des Baufeldes ausgerichtet angeordnet ist.
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Unter einem längserstreckten Vorratsbehälter wird ein Vorratsbehälter verstanden, dessen Länge ein Vielfaches seiner Breite ist.
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Entlang der Öffnung des längsersteckten trichterförmigen Vorratsbehälters ist ein längserstrecktes bzw. bandförmiges Sperrmittel angeordnet. Dieses Sperrmittel ist derart gestaltet und bemessen, dass sich ein Öffnungsschlitz ausbildet, über welchen das partikelförmige Baumaterial in einem normal befüllten Zustand des Vorratsbehälters nicht oder nicht wesentlich über den Öffnungsschlitz in Richtung des Baufeldes austreten kann. Durch die Anordnung des Sperrmittels wird die Öffnung des Vorratsbehälters verkleinert und ist somit nur noch ein Öffnungsschlitz. Das Sperrmittel kann beispielsweise ein streifen- oder bandförmiges Blech sein.
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In einem geringen Abstand vor dem Öffnungsschlitz ist eine Klinge angeordnet, auf welche das partikelförmige Baumaterial rieselt, für den Fall, dass eine geringe Menge des partikelförmigen Baumaterials austreten sollte. Diese geringe Menge des austretenden partikelförmigen Baumaterials bildet auf der Klinge einen Sperrkegel aus und verhindert derart das Austreten von weiterem Baumaterial. Dies ist möglich, da das im trichterförmigen Vorratsbehälter bevorratete partikelförmige Baumaterial dazu neigt, sogenannte Schüttbrücken und somit einen Sperrkegel vor dem Öffnungsschlitz zu bilden.
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Vorgesehen ist es, an mindestens einer längserstreckten Seitenwand des trichterförmigen Vorratsbehälters ein poröses Gasaustrittsmittel anzuordnen. Ein derartiges poröses Gasaustrittsmittel weist einen Gasanschluss sowie ein poröses luftdurchlässiges Material auf. Ein Gas wie beispielsweise Luft, welche von außerhalb des Vorratsbehälters über den Gasanschluss in das poröse Gasaustrittsmittel eingeleitet wird, kann durch das poröse Material strömen und derart in den Vorratsbehälter gelangen. Das Gas tritt aus dem porösen Gasaustrittsmittel über die gesamte Fläche des porösen Materials verteilt aus. Ein derartiges Austreten von Luft kann beispielsweise mit den in Aquarien eingesetzten Sprudelsteinen verglichen werden.
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Die Öffnungen bzw. Poren dieses luftdurchlässigen Materials sind vorzugsweise kleiner als die Korngröße des partikelförmigen Baumaterials. Somit kann das partikelförmige Baumaterial nicht in das poröse Gasaustrittsmittel eindringen.
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Vorgesehen ist es auch, dass ein poröses Gasaustrittsmittel an dem bandförmigen Sperrmittel angeordnet werden kann. Die Anordnung eines porösen Gasaustrittsmittels kann allein oder zusammen mit der Anordnung eines porösen Gasaustrittsmittels an einer längserstreckten Seitenwand des trichterförmigen Vorratsbehälters erfolgen.
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Das poröse Gasaustrittsmittel ist in einem Bereich der längserstreckten Seitenwand oder im Bereich des bandförmigen Sperrmittels derart angeordnet, dass die glatte Innenfläche des trichterförmigen Vorratsbehälters bzw. des Sperrmittels nicht gestört oder beeinflusst wird. Der trichterförmige Vorratsbehälter bleibt somit auch beim Einbau des erfindungsbemäßen porösen Gasaustrittsmittels an seiner Innenseite eben gestaltet. Das gleiche trifft auch auf das Sperrmittel zu, welches beispielsweise mittels eines Sperrblechs realisiert werden kann. Derart werden zum einen die Funktionsweise des Vorratsbehälters zum Aufbringen von partikelförmigem Baumaterial auf ein Baufeld sichergestellt und zum anderen ein Hängenbleiben des partikelförmigen Baumaterials an einer Unebenheit an der Innenseite des Vorratsbehälters oder des Sperrmittels und somit Störungen beim Aufbringen von partikelförmigem Baumaterial auf ein Baufeld vermieden.
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Vorgesehen ist es auch, mehrere poröse Gasaustrittsmittel an einer Seitenwand des Vorratsbehälters anzuordnen. Diese mehreren porösen Gasaustrittsmittel können gleich beabstandet zueinander und/oder gleich beabstandet zu dem Öffnungsschlitz an einer längserstreckten Seitenwand des Vorratsbehälters angeordnet sein.
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Alternativ können mehrere poröse Gasaustrittsmittel an beiden längserstreckten Seitenwänden des Vorratsbehälters angeordnet werden. Außerdem können mehrere poröse Gasaustrittsmittel am Sperrmittel angeordnet werden. In einer weiteren Variante sind mehrere poröse Gasaustrittsmittel sowohl an einer Seitenwand des Vorratsbehälters als auch am Sperrmittel angeordnet.
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Vorgesehen ist es auch, ein oder mehrere poröse Gasaustrittsmittel sich gegenüberliegend an den längserstreckten Seitenwänden des Vorratsbehälters bzw. an einer Seite des Vorratsbehälters und an dem Sperrmittel anzuordnen.
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Das bzw. die porösen Gasaustrittsmittel werden in der Nähe der Austrittsöffnung bzw. des Öffnungsschlitzes angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung der porösen Gasaustrittsmittel im Bereich der engsten Stelle des längserstreckten trichterförmigen Vorratsbehälters ist die Wirkung der porösen Gasaustrittsmittel zur Fluidisierung des partikelförmigen Baumaterials optimal.
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Vorgesehen ist es, dass die porösen Gasaustrittsmittel eine kreisförmige, ovale oder rechteckige Gasaustrittsfläche aufweisen. In einer besonderen Form können die porösen Gasaustrittsmittel eine längserstreckte rechteckförmige Gasaustrittsfläche aufweisen, bei welcher die Länge ein Vielfaches der Breite der Gasaustrittsfläche ist. In dieser Ausführung können diese längserstreckten bzw. streifenförmigen porösen Gasaustrittsmittel parallel zu dem Sperrmittel bzw. dem Öffnungsschlitz angeordnet werden.
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Für den Fall, dass kein Gas in das oder die porösen Gasaustrittsmittel eingeleitet wird, ist ein Austreten des partikelförmigen Baumaterials durch den mittels des Sperrmittels ausgebildeten engen Öffnungsschlitz nicht möglich.
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Für den Fall, dass ein Gas wie beispielsweise Luft in das oder die porösen Gasaustrittsmittel eingeleitet wird, kommt es durch das in den Vorratsbehälter eingeleitet Gas zu einem Fluidisieren des partikelförmigen Baumaterials, was bewirkt, dass das partikelförmige Baumaterial durch den Öffnungsschlitz aus dem Vorratsbehälter austreten kann. Das austretende partikelförmige Baumaterial gelangt derart auf das Baufeld des 3D-Druckers.
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Somit kann eine Anordnung und ein Verfahren zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker bereitgestellt werden, welche bzw. welches keine beweglichen bzw. vibrierenden mechanischen Bauteile sowie deren Antriebe benötigt. Außerdem werden keine Heizelemente benötigt, um eine Fluidisierung des partikelförmigen Baumaterials zu erreichen.
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Vorgesehen ist es, das austretende partikelförmige Baumaterial in einer Schicht über dem Baufeld zu verteilen und in üblicher Weise zu bearbeiten, also in vorbestimmten Teilbereichen selektiv zu verfestigen. Dieses Verfestigen kann in einer aus dem Stand der Technik bekannten Art und Weise wie beispielsweise unter Nutzung eines Lasers erfolgen. Eine Beschränkung in diesem Herstellungsschritt zur Erzeugung eines 3D-Modells oder einer 3D-Struktur in einem 3D-Drucker ist durch diese Beschreibung nicht gegeben. Auf diesen Verfahrensschritt wird nachfolgend nicht weiter eingegangen, da er für die vorliegende Anordnung bzw. das Verfahren zum Aufbringen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker nicht relevant ist.
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Vorgesehen ist es, dass als Gas Luft, Reaktivgase oder Inertgase zur Anwendung kommen. Als Inertgas können beispielsweise Stickstoff und sämtliche Edelgase zum Einsatz kommen.
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Vorgesehen ist es ebenso, dass der Gasdruck gesteuert wird. Die Menge des aus dem porösen Gasaustrittsmittel austretenden Gases beeinflusst den Fluidisierungsgrad des partikelförmigen Baumaterials und somit die Menge des den Öffnungsschlitz passierenden Baumaterials. Somit kann mittels des Gasdrucks die Menge des aus dem Vorratsbehälter austretenden partikelförmigen Baumaterials, angepasst an Position und Auftragsgeschwindigkeit, gesteuert werden.
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In einer besonderen Ausführung ist es vorgesehen, mit einem sich periodisch ändernden Gasdruck zu arbeiten. Beispielsweise kann mittels eines pulsierenden Gasdrucks gearbeitet werden. Der Mittelwert dieses Gasdrucks kann in diesem Fall die zu steuernde Größe für den Gasdruck und somit für die Menge des austretenden partikelförmigen Baumaterials sein.
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Für die Erzeugung eines Gasdrucks können beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Anordnungen und Verfahren zum Einsatz kommen. Eine Beschränkung durch die vorliegende Erfindung ist nicht gegeben. Dem Fachmann sind derartige Lösungen bekannt, daher wird auf diesen Bereich nicht weiter eingegangen.
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Zur Steuerung der Menge des austretenden partikelförmigen Baumaterials sind Sensoren vorgesehen, welche außerhalb des Vorratsbehälters angeordnet werden. Diese Sensoren, wie beispielsweise Utraschall-, Infrarot-, Laser-Distanz oder kapazitive Sensoren, werden derart ausgerichtet, dass sie die Menge des austretenden partikelförmigen Baumaterials erfassen können. Ein derartiger Sensor kann beispielsweise an einer Außenseite einer längserstreckten Seitenwand des Vorratsbehälters oder an einer Außenseite des Sperrmittels angeordnet sein. Dieser Sensor wird derart ausgerichtet, dass er das fluidisierte partikelförmige Baumaterial, welches über den Öffnungsschlitz und die Klinge zum Baufeld bzw. zum Baubett gelangt, erfassen kann.
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Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen:
- 1: eine erfindungsgemäße Anordnung zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker in einem sogenannten Ruhezustand, in welchem kein partikelförmiges Baumaterial aufgetragen wird,
- 2: eine erfindungsgemäße Anordnung zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker in einem Betriebszustand, in welchem ein Auftragen von partikelförmigem Material erfolgt,
- 3: eine erfindungsgemäße Anordnung in einer perspektivischen Darstellung mit einem Teilschnitt des längserstreckten trichterförmigen Vorratsbehälters,
- 4: die erfindungsgemäße Anordnung aus der 3 mit einem vergrößerten Ausschnitt und
- 5: die Positionierung der porösen Gasaustrittsmittel an der ersten Seitenwand des Vorratsbehälters.
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Die 1 zeigt eine Anordnung zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker in einem sogenannten Ruhezustand, in welchem kein partikelförmiges Baumaterial 2 aufgetragen wird,
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Die Anordnung 1 zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial, welche nachfolgend kurz als Beschichter 1 bezeichnet wird, weist zur Bevorratung des partikelförmigen Baumaterials 2 einen trichterförmigen Vorratsbehälter 3 auf. Dieser trichterförmige Vorratsbehälter 3 ist längsersteckt ausgebildet, wobei seine Länge ein Vielfaches seiner Breite aufweist. Diese Längserstreckung des trichterförmigen Vorratsbehälters 3 ist in der 1 nicht dargestellt, da die 1 einen Schnitt durch den Vorratsbehälter 3 zeigt.
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Der Vorratsbehälter 3 weist eine Öffnung 4 auf, welche in Richtung des Baufelds 11 des 3D-Druckers ausgerichtet ist. Wie im Beispiel der 1 dargestellt ist, wurden bereits einige Schichten des partikelförmigen Baumaterials 2 auf dem Baufeld 11 aufgetragen und bilden ein Baubett 16. Dieses Baubett 16 beinhaltet in vorbestimmten Teilbereichen selektiv verfestigtes sowie nicht-verfestigtes partikelförmiges Baumaterial 2 zur Ausbildung eines zu druckenden 3D-Modells.
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Zwischen der Öffnung 4 des trichterförmigen Vorratsbehälters 3 und dem Baubett 16 ist ein Sperrmittel 5 angeordnet, durch welches der Öffnungsschlitz 6 ausgebildet wird. Das Sperrmittel 5 ist entlang der Öffnung 4 in Form eines streifenförmigen bzw. bandförmigen längsersteckten Blechs ausgebildet. Das Sperrmittel 5 kann an einer Seitenwand 7 oder 8 des trichterförmigen Vorratsbehälters 3 befestigt angeordnet sein. In der Darstellung der 1 wird durch das Sperrmittel 5 an seiner unteren Seite der Öffnungsschlitz 6 und an seiner oberen Seite ein Belüftungsspalt 19 ausgebildet. Die Ausbildung eines derartigen Belüftungsspalts 19 ist erfindungsgemäß nicht zwingend notwendig. Die Befestigung des Sperrmittels 5 mit einer Seitenwand 7 oder 8 des trichterförmigen Vorratsbehälters 3 und/oder mit den Stirnseiten des trichterförmigen Vorratsbehälters 3 ist in der 1 nicht dargestellt.
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Zur Befestigung des trichterförmigen Vorratsbehälters 3 ist ein Tragarm 14 vorgesehen, an welchem eine Klinge 15 angeordnet ist. Diese Klinge 15 ist derart ausgebildet, dass sie eine zum Baufeld 11 parallele Fläche aufweist und zumindest teilweise vor dem Öffnungsschlitz 6 angeordnet ist. Durch die teilweise Anordnung der Klinge 15 vor dem Öffnungsschlitz 6 wird es verhindert, dass partikelförmiges Baumaterial 2 ungewollt auf das Baufeld 11 bzw. das Baubett 16 gelangt, da sich zwischen der Klinge 15 und dem Öffnungsschlitz 6 ein den Weg verschließender Sperrkegel 20 ausbildet. Die Klinge 15 weist eine zum Baufeld 11 parallele Fläche auf, um das partikelförmige Baumaterial 2 nach seinem gewollten Auftragen auf das Baufeld 11 bzw. das Baubett 16 gleichmäßig in einer neuen Schicht 17, beispielsweise während des Verfahrens des Beschichters 1 in der 1 nach links, zu verteilen. Dieser Vorgang ist in der 1 noch nicht dargestellt.
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Ein Auftragen des partikelförmigen Baumaterials 2 auf das Baufeld 11 bzw. das Baubett 16 wird dadurch erreicht, dass das partikelförmige Baumaterial 2 im Bereich des Öffnungsschlitzes 6 fluidisiert wird. Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, mindestens ein poröses Gasaustrittsmittel 9 in diesem Bereich anzuordnen. In der 1 ist ein erstes poröses Gasaustrittsmittel 9 an der rechten Seitenwand 7 des Vorratsbehälters 3 bzw. an dem Tragarm 14 und der rechten Seitenwand 7 angeordnet.
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Dieses poröse Gasaustrittsmittel 9 weist auf seiner dem partikelförmigen Baumaterial 2 zugewandten Seite ein gasdurchlässiges poröses Material auf. Auf der dem partikelförmigen Baumaterial 2 abgewandten Seite ist ein Gasanschluss 10 angeordnet. Von einer nicht dargestellten externen Einheit wird ein in seinem Gasdruck steuerbares Gas erzeugt und beispielsweise über eine nicht dargestellte, mit dem Gasanschluss 10 verbundene Leitung zu dem porösen Gasaustrittsmittel 9 geleitet. Dieses Gas tritt aus dem porösen Gasaustrittsmittel 9 durch das gasdurchlässige poröse Material in Richtung des partikelförmigen Baumaterials 2 gleichmäßig verteilt aus und durchströmt das partikelförmige Baumaterial 2. Durch dieses austretende Gas wird das partikelförmige Baumaterial 2 fluidisiert, wobei sich ein Bereich mit fluidisiertem partikelförmigen Baumaterial 12 innerhalb des partikelförmigen Baumaterials 2 ausbildet.
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In einer Alternative kann ein poröses Gasaustrittsmittel 9 an der der ersten Seitenwand 7 gegenüberliegenden zweiten Seitenwand 8 angeordnet werden.
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In einer weiteren Alternative können poröse Gasaustrittsmittel 9 an beiden Seitenwänden 7 und 8 angeordnet sein. Die porösen Gasaustrittsmittel 9 können derart beispielsweise sich gegenüberliegend oder zueinander versetzt an den Seitenwänden 7 und 8 angeordnet sein.
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Im Beispiel der 1 ist die zweite Seitenwand 8 nicht vollständig parallel zur ersten Seitenwand bis zu dem Öffnungsschlitz 6 ausgeführt. Die Verlängerung der zweiten Seitenwand 8 wird in diesem Beispiel durch das Sperrmittel 5 gebildet. In dieser Ausführung kann ein oder können mehrere poröse Gasaustrittsmittel 9 an dem Sperrmittel 5 angeordnet werden. Eine derartige Anordnung eines porösen Gasaustrittsmittels 9 an dem Sperrmittel 5 ist in der 1 ebenfalls dargestellt. Das an dem Sperrmittel 5 angeordnete poröse Gasaustrittsmittel 9 ist in einer anderen geometrischen Form dargestellt, besteht aber ebenfalls aus einem luftdurchlässigen porösen Material, über welches das Gas ausströmt, und weist ebenfalls einen Gasanschluss 10 auf, welcher in der 1 nicht dargestellt ist.
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Das partikelförmige Baumaterial 2 liegt im Bereich des Öffnungsschlitzes 6 als fluidisiertes partikelförmiges Baumaterial 12 vor und kann den Sperrkegel 20 überwinden und über den Öffnungsschlitz 6 aus dem Vorratsbehälter 3 austreten. Um die Menge des austretenden partikelförmigen Baumaterials 12 zu erfassen, ist es vorgesehen, mindestens einen Sensor 13 anzuordnen. Im Beispiel der 1 ist der Sensor 13 mit einer nicht dargestellten Halterung am Sperrmittel 5 angeordnet. Unabhängig von der Art der Anordnung des Sensors 13 ist es wichtig, dass der Sensor 13 mit seinem Sensor-Strahl18 bzw. seinem Erfassungsbereich auf den Weg des partikelförmigen Baumaterials 12 zum Baufeld 11 oder dem Baubett 16 ausgerichtet ist. In einer Ausführung ist der Sensor-Strahl 18 auf den sich ausbildenden Auftrag kegel 21 ausgerichtet.
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In einer Ausführungsvariante ist der Beschichter 1 mit allen seinen in der 1 dargestellten Bestandteilen in den mit dem oberen Doppelpfeil dargestellten Richtungen über dem Baufeld 11 verfahrbar, während das Baufeld 11 feststehend ausgebildet ist.
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In einer alternativen Ausführungsvariante ist der Beschichter 1 feststehend über dem Baufeld 11 angeordnet, während das Baufeld 11 in den mit dem unteren Doppelpfeil dargestellten Richtungen unter dem Beschichter 1 verfahrbar ausgebildet ist.
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In der 2 ist die Anordnung zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker in einem Zustand dargestellt, in welchem ein Auftragen von partikelförmigem Baumaterial erfolgt.
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Der Beschichter 1 weist die bereits zur 1 beschriebenen Bestandteile auf.
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Während der Beschichter 1 in der 1 in einem Ruhezustand, in welchem kein partikelförmiges Baumaterial 2 aufgetragen wird, dargestellt ist, wird der Beschichter 1 in der 2 beim Auftragen von partikelförmigem Baumaterial 2 auf ein auf einem Baufeld 11 des 3D-Druckers befindlichen Baubett 16 gezeigt.
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Das Baubett 16 wurde beispielsweise durch ein Auftragen mehrerer neuer Schichten 17 in mehreren vorangegangenen Arbeitsschritten erzeugt. In einem derartigen Baubett 16 können bereits Bestandteile des zu erzeugenden 3D-Modells ausgebildet sein. Hierfür ist das partikelförmige Baumaterial 2 in vorbestimmten Teilbereichen bereits selektiv verfestigt worden. Die 2 zeigt das Auftragen einer neuen Schicht 17 auf das bestehende Baubett 16.
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Wie bereits beschrieben, wird das partikelförmige Baumaterial 2 durch den sich ausbildenden Sperrkegel 20 gehindert, den trichterförmigen Vorratsbehälter 3 zu verlassen. Zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial 2 wird mindestens einem porösen Gasaustrittsmittel 9 über seinen Gasanschluss 10 ein Gas zugeführt, welches durch das poröse Material des Gasaustrittsmittels 9 in Richtung des partikelförmigen Baumaterials 2 austritt und dieses durchströmt.
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Bei diesem Durchströmen wird das partikelförmige Baumaterial 2 fluidisiert und es entsteht fluidisiertes partikelförmiges Baumaterial 12 in dem in der 2 dargestellten Bereich. Die Pfeile in diesem Bereich 12 stellen das durchströmende Gas dar. Im Beispiel der 2 sind zwei poröse Gasaustrittsmittel 9 gegenüberliegend angeordnet. Somit strömt das Gas von zwei Seiten in das partikelförmige Baumaterial 2, wobei der Effekt des Fluidisierens des partikelförmigen Baumaterials 2 noch verbessert wird.
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Das derart fluidisierte partikelförmige Baumaterial 2 ist in der Lage, den Sperrkegel 20 zu überwinden und kann somit über den Öffnungsschlitz 6 aus dem trichterförmigen Vorratsbehälter 3 austreten. Das fluidisierte partikelförmige Baumaterial 2 gelangt über die Klinge 15 zum Baubett 16 und bildet vor der Klinge 15 einen Auftragkegel 21 aus.
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Beispielsweise durch eine horizontale Bewegung des Beschichters 1 in der mit dem Pfeil in der 2 angegebenen Richtung, wird die neue Schicht 17 auf dem Baubett 16 in einer vorgegebenen Stärke aufgetragen. Zur Gewährleistung einer gleichbleibenden Dicke und Dichte des aufzutragenden partikelförmigen Baumaterials 2 muss dafür gesorgt werden, dass der Auftragkegel 21 vor der Klinge 15 entsprechend groß ausgebildet ist.
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Zu diesem Zweck ist es vorgesehen, mittels eines Sensors 13 die Größe des Auftragkegels 21 zu erfassen und mittels einer geeigneten nicht dargestellten Steueranordnung die Größe des Auftragkegels 21 zu steuern. In der 2 ist der Sensor 13 beispielsweise am Sperrmittel 5 befestigt. Unabhängig von der Art der Befestigung ist der Sensor 13 mit seinem Erfassungsbereich auf den Auftragkegel 21 ausgerichtet. Ein derartiger Sensor 13 kann beispielsweise ein Ultraschall- oder Infrarot-Sensor sein. So wird beispielsweise ein Infrarot-Sensor 13 mit seinem Sensor-Strahl 18 auf den Auftragkegel 21 ausgerichtet angeordnet.
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Zur Steuerung der Größe des Auftragkegels 21 wird in Abhängigkeit des Sensorsignals des Sensors 13 der Druck des Gases, welches in die porösen Gasaustrittsmittel 9 eingespeist wird, verändert. So kann beispielsweise mittels eines größeren Gasdrucks die Fluidisierung des partikelförmigen Baumaterials 2 verstärkt bzw. verbessert werden, in Folge dessen mehr fluidisiertes partikelförmiges Baumaterial 12 durch den Öffnungsschlitz 6 austreten kann und die Größe des Auftragkegels 21 zunimmt.
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Alternativ kann mittels eines kleineren Gasdrucks die Fluidisierung des partikelförmigen Baumaterials 2 vermindert bzw. verschlechtert werden, in Folge dessen weniger fluidisiertes partikelförmiges Baumaterial 12 durch den Öffnungsschlitz 6 austreten kann und die Größe des Auftragkegels 21 abnimmt.
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Eine Steuerung der aufgetragenen Menge des partikelförmigen Baumaterials 2 kann also mittels einer Steuerung des Gasdrucks erfolgen.
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Vorgesehen sein kann es auch, dass eine Steuerung der aufgetragenen Menge des partikelförmigen Baumaterials 2 mittels einer Steuerung eines Mittelwertes des Gasdrucks erfolgt. Bei dieser Variante kann der Gasdruck beispielsweise pulsierend erzeugt werden, wodurch eine Verbesserung der Fluidisierung möglich ist.
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Das in das partikelförmige Baumaterial 2 über die porösen Gasaustrittsmittel 9 eingeleitete Gas kann beispielsweise in der besonderen Ausgestaltung des Beschichters 1 in der 2 über die Belüftung 19 entweichen. Alternativ kann das Gas im trichterförmigen Vorratsbehälter 3 nach oben strömen und diesen derart verlassen.
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Nach einem vollständigen Auftragen der neuen Schicht 17 kann durch ein Abstellen der Gaszufuhr zu den porösen Gasaustrittselementen 9 der Prozess der Fluidisierung des partikelförmigen Baumaterials 2 gestoppt werden. Infolgedessen wird sich der Sperrkegel 20 vor dem Öffnungsschlitz 6 ausbilden und verhindern, dass weiteres partikelförmiges Baumaterial 2 auf das Baubett 16 gelangt.
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Die 3 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung in einer perspektivischen Darstellung mit einem Teilschnitt des längserstreckten trichterförmigen Vorratsbehälters 3.
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Der längserstreckte trichterförmige Vorratsbehälter 3 ist in der 3 zum besseren Verständnis der Erfindung in einem mit dem partikelförmigen Baumaterial 2 befüllten Zustand in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Der trichterförmige Vorratsbehälter 3 ist in seinem rechten vorderen Bereich in der 3 angeschnitten gezeigt und ermöglicht somit eine Sicht auf das poröse Gasaustrittselement 9. Dieses an der ersten Seitenwand 7 und dem Tragarm 14 angeordnete erste poröse Gasaustrittselement 9 weist eine längsersteckte Fläche auf, über welche das Gas austreten kann. Der Gasanschluss 10 des porösen Gasaustrittselements 9 wurde in der 3 geschnitten dargestellt. In der 3 ist auch ein zweites poröses Gasaustrittselement 9 gezeigt, welches dem ersten porösen Gasaustrittselement 9 gegenüberliegend an dem Sperrmittel 5 angeordnet ist.
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In der 4 ist die erfindungsgemäße Anordnung aus der 3 mit einem vergrößerten Ausschnitt dargestellt. In dieser Darstellung ist das an der ersten Seitenwand 7 angeordnete erste poröse Gasaustrittsmittel 9 wiederum mit seiner längserstreckten Fläche dargestellt, über welche das Gas austreten kann. Auch in dieser Darstellung der 4 ist das dem ersten porösen Gasaustrittsmittel 9 gegenüberliegend am Sperrmittel 5 angeordnete zweite poröse Gasaustrittsmittel 9 zu erkennen.
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Beispielsweise wird in das erste poröse Gasaustrittsmittel 9 über dessen Gasanschluss 10 ein Gas eingeleitet, welches über die dargestellte längserstreckte Fläche des porösen Gasaustrittsmittels 9 austritt und fluidisiertes partikelförmiges Baumaterial 12 erzeugt. Dieses fluidisierte partikelförmige Baumaterial 12 gelangt durch den Öffnungsschlitz 6 und bildet den dargestellten Auftragkegel 21 aus.
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Durch eine Verfahrbewegung des Beschichters 1 über das nicht dargestellte Baufeld 11 bzw. das dargestellte Baubett 16 in der mit dem Pfeil angegebenen Richtung, wird die neue Schicht 17 auf dem Baubett 16 erzeugt.
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In der 4 sind auch die die Größe des Auftragkegels 21 erfassenden Sensoren 13 mit ihren Sensor-Strahlen 18 dargestellt. Vorgesehen ist es, mehrere Sensoren 13 nebeneinander anzuordnen, um die Größe des Auftragkegels 21 an mehreren Stellen zu erfassen. In einer derartigen Anordnung ist es möglich, verschiedene Größen des Auftragkegels 21 entlang der Klinge 15 zu ermitteln. Mittels einer derartigen differenzierten bereichsbezogenen Prüfung der Größen des Auftragkegels 21 ist es möglich, eine differenzierte, bereichsbezogene Ansteuerung der zu diesem Bereich zugehörigen porösen Gasaustrittsmittel 9 vorzunehmen. Derart kann das Auftragen der neuen Schicht 17 qualitativ weiter verbessert werden.
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Es ist klar, dass nach einem Auftragen einer neuen Schicht 17 ein selektives, vom zu druckenden 3D-Modell abhängiges Verfestigen des aufgetragenen partikelförmigen Materials 2 mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie beispielsweise der Nutzung eines Lasers, erfolgt.
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In der 5 ist die Positionierung der porösen Gasaustrittsmittel 9 an der ersten Seitenwand 7 des Vorratsbehälters 3 in einer Ansicht von innen gezeigt. Im unteren Bereich der dargestellten Innenseite der ersten Seitenwand 7 sind mehrere poröse Gasaustrittsmittel 9 angeordnet. Diese porösen Gasaustrittsmittel 9 sind als längsersrteckte poröse Gasaustrittsmittel 9 ausgeführt und in einer Reihe derart angeordnet, dass nahezu jeder Bereich des Öffnungsschlitzes 6 abgedeckt werden kann. Derart wird es sichergestellt, dass das partikelförmige Baumaterial 2 in jedem Bereich des Öffnungsschlitzes 6 mittels eines aus dem porösen Gasaustrittsmittel 9 ausströmenden Gases durchströmt und somit fluidisiert werden kann. Somit wird fluidisiertes partikelförmiges Baumaterial 12 im gesamten Bereich entlang des nicht dargestellten Öffnungsschlitzes 6 erzeugt und kann somit gleichmäßig verteilt auf das Baubett 16 aufgebracht werden. Das auf das Baubett 16 aufgebrachte partikelförmige Baumaterial 2 wird mittels der Klinge 15 abgezogen und bildet eine neue Schicht 17 aus.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Anordnung zum Auftragen von partikelförmigem Baumaterial (Besch ichter)
- 2
- partikelförmiges Baumaterial
- 3
- trichterförmiger Vorratsbehälter
- 4
- Öffnung des Vorratsbehälters
- 5
- Sperrmittel (bandförmige Schikane / Sperrblech)
- 6
- Öffnungsschlitz
- 7
- erste Seitenwand des Vorratsbehälters
- 8
- zweite Seitenwand des Vorratsbehälters
- 9
- poröses Gasaustrittsmittel
- 10
- Gasanschluss
- 11
- Baufeld
- 12
- fluidisiertes partikelförmiges Baumaterial
- 13
- Sensor
- 14
- Tragarm
- 15
- Klinge
- 16
- Baubett
- 17
- neue Schicht
- 18
- Sensor-Strahl
- 19
- Belüftungsspalt
- 20
- Sperrkegel
- 21
- Auftragkegel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005022308 A1 [0009]
- DE 102016202696 A1 [0012]
- WO 2016/095888 A1 [0015]
