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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen 3D-Drucker, insbesondere einen Fused-Filament-Fabrication-Drucker (FFF-Drucker), mit einem verstellbaren Druckbett, und ein Verfahren zum Ausrichten des Druckbetts.
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Ein 3D-Drucker ist aus der
US 5,121,329 bekannt. Bei diesem 3D-Drucker wird einem in Richtung einer z-Achse höhenverstellbaren Druckkopf ein Polymerfaden zugeführt, aufgeschmolzen und in mehreren Lagen auf ein relativ zum Druckkopf in Richtung einer x-Achse und y-Achse horizontal verlagerbares Druckbett aufgebracht, um ein 3D-Objekt zu erzeugen. Das in der
US 5,121,329 beschriebene 3D-Druckverfahren entspricht im Wesentlichen dem oben erwähnten FFF-Verfahren (auch: Schichtschmelzung).
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Ein zufriedenstellendes Druckergebnis erfordert jedoch eine genaue horizontale Ausrichtung des verlagerbaren Druckbetts, auf welcher das 3D-Objekt erzeugt wird. Die
US 2017/0355139 A1 offenbart einen 3D-Drucker mit einem Druckbett, das durch zwei Führungsschienen an zwei Ecken des Druckbetts in Richtung einer z-Achse geführt ist. Im Gegensatz dazu wird ein in der
WO 2017/184002 A1 offenbartes Druckbett einer dreieckigen Trägerstruktur getragen. An jeder der drei Ecken der Trägerstruktur ist eine Gewindespindel und ein zugehöriger Antrieb angeordnet, durch welche das Druckbett höhenverstellbar ist. Bei einem in der
WO 00/78519 A1 angegebenen 3D-Drucker ist das Druckbett an vier Stellen an seitlich des Druckbetts gegenüberliegend angeordneten Platten befestigt, die jeweils lineargeführt höhenverstellbar sind.
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Ausgehend von einem aus der
WO 00/78519 A1 bekannten 3D-Drucker liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen 3D-Drucker, vorzugsweise FFF-Drucker, bereitzustellen, der eine genaue Horizontalausrichtung des Druckbetts bei gleichzeitiger Kompensation von Spannungen an Druckbett-Lagerstellen ermöglicht und ein Auftreten eines Kippmoments vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch einen 3D-Drucker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist ein 3D-Drucker, vorzugsweise FFF (Fused-Filament-Fabrication)-Drucker, eine Trägerstruktur mit zueinander orthogonal ausgerichteter x-Achse (Horizontalrichtungsachse), y-Achse (Horizontalrichtungsachse) und z-Achse (Höhenrichtungsachse), ein in Richtung der z-Achse (höhen-)verstellbares Druckbett, auf dem ein zu druckendes 3D-Objekt schichtweise aufbaubar ist, einen Stellantrieb zur Verstellung des Druckbetts in Richtung der z-Achse, mit vier bezüglich des Druckbetts peripher angeordneten Lagerstellen, auf denen das Druckbett gelagert ist, und eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung des Stellantriebs auf. Der Stellantrieb weist erfindungsgemäß vier voneinander unabhängig ansteuerbare Linearantriebseinheiten auf, die den vier peripheren Lagerstellen zugeordnet sind. Aufgrund der vier peripheren Lagerstellen kann das Druckbett an vier Stellen direkt abgestützt werden, was ein Kippen unter einer durch das gedruckte 3D-Objekt aufgebrachten Last vermeidet und gleichzeitig die Möglichkeit schafft, das Druckbett mit maximaler Fläche auszubilden. Außerdem kann durch die Möglichkeit zur individuellen Höhenverstellung der einzelnen Lagerstellen das Druckbett in horizontaler Richtung genau ausgerichtet werden, was zu einer Verbesserung der Qualität des gedruckten 3D-Objekts führt. Moderne sogenannte „Industriesteuerungen“ sind dabei ohne weiteres in der Lage, auch statisch überbestimmte Lagerungen, wie beispielsweise die Lagerung des erfindungsgemäßen Druckbetts, ohne Verspannungen auszurichten.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des 3D-Druckers kann das Druckbett an jeder der vier peripheren Lagerstellen drehbeweglich gelagert sein, um eine rotatorische Bewegung des Druckbetts je Lagerstelle zu erlauben. Hierzu kann das Druckbett an den vier peripheren Lagerstellen über vier Kugelgelenke drehbeweglich gelagert sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Druckbett vier seitlich auskragende Kugelkopfträger aufweisen, welche an den vier peripheren Lagerstellen drehbeweglich gelagert sind, so dass bei einer Höhenverstellung des Druckbettsauf Verspannungen zurückzuführende Verformungen oder Ausrichtungsfehler des Druckbetts weitestgehend ausgeschlossen sind.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des 3D-Druckers kann jede der vier Linearantriebseinheiten einen in Richtung der z-Achse verfahrbaren Schlitten mit einer Lagerstelle aufweisen. Die vier Lagerstellen sind somit an in Richtung der z-Achse (höhen-)verfahrbaren Schlitten vorgesehen, was eine genaue Einstellung der Position jeder Lagerstelle in Richtung der z-Achse ermöglicht. Erfindungsgemäß kann jede Linearantriebseinheit dabei ein den jeweiligen Schlitten antreibendes Schraubgetriebe aufweisen. Jedes Schraubgetriebe kann beispielsweise aus einer auf Seiten der Trägerstruktur des 3D-Druckers in Richtung der z-Achse angeordneten Gewindespindel und einer an dem jeweiligen Schlitten gehaltenen Spindelmutter gebildet sein, wobei entweder die Gewindespindel oder die Gewindemutter beispielsweise elektromotorisch angetrieben sein kann. Durch entsprechende Festlegung der Gewindesteigung kann eine äußerst genaue Einstellung der jeder Schlitten- bzw. Lagerstellen-Position und damit der Druckbett-Position in Richtung der z-Achse ermöglicht werden. Des Weiteren kann die Linearantriebseinheit eine den Schlitten in Richtung der z-Achse führende Linearführung aufweisen, um den Schlitten während des Verfahrens in Richtung der z-Achse zusätzlich abzustützen und zu führen. Jede Lagerstelle kann über den jeweiligen Schlitten zwischen dem zugeordneten Schraubgetriebe und der zugeordneten Linearführung angeordnet sein.
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Das Druckbett kann in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des 3D-Druckers an einer der vier peripheren Lagerstellen relativ zu der einen Lagerstelle in Richtung der x-Achse und y-Achse fest angeordnet sein. Des Weiteren kann das Druckbett an einer zweiten der vier peripheren Lagerstellen, die der einen Lagerstelle in Richtung der x-Achse oder y-Achse gegenüberliegt, relativ zu der zweiten Lagerstelle in Richtung der x-Achse oder y-Achse bewegbar angeordnet und an den beiden weiteren der vier peripheren Lagerstellen relativ zu der jeweiligen der beiden weiteren Lagerstellen in Richtung der x-Achse und y-Achse bewegbar angeordnet sein. Durch diese Lagerung kann das, vorzugsweise rechteckig ausgeführte, Druckbett kipp- und verspannungsfrei in Richtung der z-Achse verfahrbar sein. Es konnte gezeigt werden, dass die Lagerung des Druckbetts auch bei extrem hohen Bauraum-Temperaturen eine hohe Maßhaltigkeit hinsichtlich einer möglichst horizontalen Ausrichtung des Druckbetts gewährleistet, und zwar selbst dann, wenn verhältnismäßig große Bauraumdimensionen vorliegen, weil durch die vorstehend genannte Lagerung des Druckbetts des erfindungsgemäßen 3D-Druckers bei den hohen Bauraum-Temperaturen entstehende Wärmespannungen und damit verbundene Wärmeausdehnungen kompensiert werden können.
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Des Weiteren kann bei dem erfindungsgemäßen 3D-Drucker der Stellantrieb außerhalb eines von der Trägerstruktur getragenen Gehäuses angeordnet sein, das einen Bauraum einfasst, in welchem das Druckbett angeordnet ist und in dem der schichtweise Aufbau des 3D-Objekts stattfindet. Durch die Anordnung des Stellantriebs mitsamt der Lagerstellen des Druckbetts außerhalb des Gehäuses und damit auch des Bauraums kann eine außermittige, d.h. periphere, Lagerung des Druckbetts realisiert werden, was ein Kippen des Druckbetts verhindert. Zusätzlich hat dies besonders bei einem, wie nachstehend beschriebenen, beheizbaren Bauraum den Vorteil, dass sich die Lagerstellen nicht in dem heißen Bauraum befinden und somit keine hochtemperaturfesten und zumeist mit hohen Kosten verbundenen Werkstoffe für die Lagerstellen notwendig sind.
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Bei dem erfindungsgemäßen 3D-Drucker kann es erforderlich sein, den Bauraum, in welchem das Druckbett angeordnet ist, vor dem Drucken zu heizen und während des Druckens auf einer vorbestimmten Betriebstemperatur zu halten, um die Palette der druckbaren Werkstoffe zu erweitern und insbesondere das Drucken von hochtemperaturbeständigen Kunststoffen zu ermöglichen. Hierfür kann der erfindungsgemäße 3D-Drucker eine Temperaturregelung zur Regelung der Temperatur im Bauraum aufweisen. Das Druckbett des erfindungsgemäßen 3D-Druckers kann weiterhin eine Temperaturregelung beinhalten, welche eine Temperatur des Druckbetts auf einen vorbestimmten Temperaturwert einstellen kann. Die Druckbetttemperatur beeinflusst maßgeblich die Haftung auf dem Druckbett, bzw. auf einer zwischen dem Druckbett und dem zu druckenden 3D-Objekt, d.h. die Druckbarkeit des Druckwerkstoffes positiv beeinflusst wird. Die Qualität des zu druckenden 3D-Objekts wird durch die Bauraumtemperatur im Zusammenspiel mit der Druckbetttemperatur eingestellt.
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Des Weiteren kann der erfindungsgemäße 3D-Drucker eine mit dem Druckbett integral in Richtung der z-Achse verstellbare Kalibriervorrichtung zur Abstandskalibrierung des Druckbetts relativ zu einem in Richtung der z-Achse fest angeordneten und in Richtung der x-Achse und y-Achse verfahrbaren Referenzkörper, der z.B. aus einem Druckkopf des 3D-Druckers gebildet sein kann, aufweisen. Diese Anordnung der Kalibriervorrichtung hat den Vorteil, dass die Kalibrierung des Druckbetts automatisch, auch nach dem Aufheizen des Bauraums durchgeführt werden kann, um mögliche Wärmespannungen und einen möglichen Wärmeverzug des Druckbetts kompensieren zu können.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann der erfindungsgemäße 3D-Drucker des Weiteren einen in Richtung der z-Achse fest angeordneten und in Richtung der x-Achse und y-Achse verfahrbaren Messkopf aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Ausrichtung des Druckbetts automatisch, auch nach dem Aufheizen des Bauraums durchgeführt werden kann, um mögliche Wärmespannungen und einem möglichen Wärmeverzug des Druckbetts kompensieren zu können.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung beschreibt ein Verfahren zur horizontalen Feinausrichtung eines erfindungsgemäßen Druckbetts für einen 3D-Drucker. Bei diesem Verfahren wird zuerst der Messkopf sequenziell zu zumindest drei im Voraus bestimmten Messpositionen auf einer Oberseite des Druckbetts verfahren. Dabei wird an jeder Messposition der Abstand des Druckbetts zum Messkopf in Richtung der z-Achse festgestellt. Durch selektives Ansteuern der vier Linearantriebseinheiten so, dass Lageunterschiede in Richtung der z-Achse zwischen den im Voraus bestimmten Messpositionen minimiert werden können, kann somit das Druckbett horizontal ausgerichtet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile eines erfindungsgemäßen 3D-Druckers ergeben sich außerdem aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Perspektivansicht eines 3D-Druckers nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 ist eine Perspektivansicht eines freigeschnittenen Gehäuses des 3D-Druckers nach dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 3 eine weitere Perspektivansicht des freigeschnittenen Gehäuses des 3D-Druckers nach dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 4 zeigt ein Druckbett des 3D-Druckers nach dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 5 ist eine Perspektivansicht eines Druckkopfmagazins des 3D-Druckers nach dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 6 zeigt eine Lagerstelle zur Lagerung des Druckbetts des 3D-Druckers nach dem ersten Ausführungsbeispiel;
- 7 zeigt eine weitere Lagerstelle zur Lagerung des Druckbetts des 3D-Druckers nach dem ersten Ausführungsbeispiel; und
- 8 zeigt eine weitere Lagerstelle zur Lagerung des Druckbetts des 3D-Druckers nach dem ersten Ausführungsbeispiel
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
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1 ist eine Perspektivansicht eines 3D-Druckers 1 zum Drucken von 3D-Objekten, welcher das erfindungsgemäße Druckbett 4 nach einem ersten Ausführungsbeispiel beinhaltet.
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Der 3D-Drucker 1 beinhaltet eine Außenverkleidung, die in den Figuren nicht dargestellt ist, und eine Trägerstruktur 5, die die Außenverkleidung und ein Gehäuse 2 trägt. Das quaderförmige Gehäuse 2, wie in 2 und 3 gezeigt, setzt sich aus fünf rechteckigen Platten und einer Tür 3 an einer Vorderseite in einer Längenrichtung bzw. Y-Richtung des 3D-Druckers 1 zusammen und bildet in seinem Inneren einen heißen bzw. beheizbaren Bauraum aus. Zur besseren Beheizbarkeit des Bauraums, ist dieser in diesem Fall mit einer Heizvorrichtung (nicht dargestellt) ausgestattet und wärmegedämmt.
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Die 2 und 3 zeigen das freigeschnittene Gehäuse 2 des 3D-Druckers 1 in verschiedenen Ansichten und mit entfernter Tür 3, um einen besseren Einblick in die für die Funktion des 3D-Druckers 1 wesentlichen Komponenten zu erlauben. Der im FFF-Verfahren betriebene 3D-Drucker 1 hat grundsätzlich ein innerhalb des Gehäuses 2 angeordnetes Druckbett 4, welches in einer Höhenrichtung bzw. Z-Richtung verfahrbar ist, und einen relativ dazu in Breiten- und Längenrichtung (X- und Y-Richtung) verlagerbaren bzw. positionierbaren Druckkopf 6, der mittels einer Heizdüse 8 einen förderbaren Polymerfaden F (Filament genannt) aufschmilzt und in mehreren Lagen auf das Druckbett 4 aufbringt, um daraus ein dreidimensionales Bauteil zu erzeugen. Der Druckkopf 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Direkt-Extruder mit eigenem internen Förderrad-System zum Fördern des Filaments F ausgeführt und kann mittels einer Positionierungseinrichtung 12, 14 in der X- und Y-Richtung bewegt werden. Hierzu ist der Druckkopf 6 an einem Schlitten 16 der Positionierungseinrichtung 12, 14 lösbar angebracht bzw. anbringbar.
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Das förderbare Filament F wird auf Rollen (nicht dargestellt) aufbewahrt und während eines Fertigungsvorgangs gefördert und dabei von den Rollen abgewickelt. Die Rollen werden in dazu vorgesehenen Kästen (nicht dargestellt) seitlich des Gehäuses 2 aufbewahrt. Der 3D-Drucker 1 gemäß der bevorzugten Ausgestaltung besitzt zwei solcher Aufbewahrungskästen, welche in einer Frontansicht links und rechts des Gehäuses 2 angeordnet sind. Das Gehäuse 2 weist Aussparungen 202 für die Filamentzuführung aus den Aufbewahrungskästen auf. Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist vier solcher Aussparungen 202 auf. Folglich können gleichzeitig vier verschiedene Filamente dem Gehäuseinneren zugeführt werden.
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An den beiden Seitenflächen in der Breitenrichtung bzw. X-Richtung des 3D-Druckers 1 sind jeweils drei rechteckige Aussparungen 204, 206 ausgebildet. Zwei dieser drei rechteckigen Aussparungen 204 erstrecken sich in der Höhenrichtung bzw. Z-Richtung des 3D-Druckers 1 und die weitere rechteckige Aussparung 206 erstreckt sich in der Längenrichtung des 3D-Druckers 1. Auf einer Hinterseite des 3D-Druckers 1 ist ebenfalls eine rechteckige, sich in der Breitenrichtung des 3D-Druckers erstreckende Aussparung 208 ausgebildet.
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Im Folgenden werden der Aufbau und die Funktion der Druckkopf-Positionierungseinrichtung 12, 14 im Detail beschrieben.
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Der Schlitten 16 wird durch eine mittels eines Elektromotors 120 angetriebene, rotierende Gewindespindel 122 und eine zugehörige Spindelmutter bewegt. Um den Schlitten 16 in der Breitenrichtung hin und her zu bewegen, treibt der mit der sich in der X-Richtung erstreckenden Gewindespindel 122 verbundene Elektromotor 120 diese Gewindespindel 122 an und der Schlitten 160 bewegt sich je nach Rotationsrichtung der Gewindespindel 122 entlang einer Führungsschiene 124 in der Breitenrichtung (X-Richtung). Die Länge der Gewindespindel 122 und der Führungsschiene 124 ist dabei größer als die Länge des Gehäuses 2 in Breitenrichtung (X-Richtung), weshalb die Gewindespindel 122 und die Führungsschiene 124 durch die rechteckigen Aussparungen 202 auf die Außenseite des Gehäuses 2 vorragen. An beiden Seitenflächen in Breitenrichtung (X-Richtung) auf der Außenseite des Gehäuses 2 sind die Gewindespindel 122 und die Führungsschiene 124 jeweils mit einem Lagerbock 126 verbunden. Die Lagerböcke 126 sind wiederum jeweils mit einer weiteren sich in Längenrichtung des Gehäuses erstreckenden Führungsschiene 144 der Y-Achse-Positionierungseinrichtung 14 verbunden. Auf einer der beiden Seitenflächen in Breitenrichtung (X-Richtung) ist der Lagerbock 126 zusätzlich mit einer weiteren sich in Längenrichtung (Y-Richtung) erstreckenden Gewindespindel 142 verbunden. Im Bereich der Hinterseite des 3D-Druckers 1 ist diese Gewindespindel 142 mit einem Elektromotor 140 verbunden, welcher die Gewindespindel 142 drehen lässt. Durch Rotation der sich in Längenrichtung erstreckenden Gewindespindel 142 werden die beiden Lagerböcke 126 und somit die sich in Breitenrichtung erstreckende Gewindespindel 142 und Führungsschiene 144, der Schlitten 16 und der Druckkopf 6 in der Längenrichtung (Y-Richtung) bewegt, so dass sich der Druckkopf 16 im Betrieb durch Steuerung der Elektromotoren 120, 140 über dem Druckbett 4 in der Längen- und Breitenrichtung bewegen lässt.
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In dem Bauraum des 3D-Druckers 1 ist des Weiteren das rechteckige und höhenverstellbare Druckbett 4 angeordnet. Das Druckbett 4 samt der zugehörigen Z-Achsen-Positionierungseinrichtung ist am besten in 4 zu erkennen und wird im Folgenden genauer beschrieben.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine Temperatur des Druckbetts 4 im Betrieb über eine Temperatursteuervorrichtung (nicht dargestellt) im Inneren des Druckbetts 4 eingestellt werden. Auf einer Unterseite des Druckbetts 4 sind zwei sich in der Breitenrichtung des Druckbetts 4 erstreckende plattenförmige Stützstrukturen 52, 54 befestigt. An den Enden der plattenförmigen Stützstrukturen 52, 54 sind jeweils Kugelkopfträger, an deren distalen Enden Kugelköpfe angeordnet sind, ausgebildet und die plattenförmigen Stützstrukturen 52, 54 sind so angeordnet, dass sie jeweils mit den beiden sich in der Höhenrichtung des 3D-Druckers 1 erstreckenden Aussparungen 204 fluchten. Die Länge der plattenförmigen Stützstrukturen 52, 54 ist dabei größer als die Breite des Gehäuses des 3D-Druckers 1, so dass die Kugelköpfe jeweils an den Seitenflächen durch die Aussparungen 204 auf eine Außenseite des Gehäuses 2 vorragen.
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Die Kugelköpfe bilden auf der Außenseite des Gehäuses 2 zusammen mit entsprechend ausgebildeten Lagerschalen vier Lagerstellen 56, 58, 60, 62 aus und erlauben aufgrund einer drehbeweglichen Verbindung eine rotatorische Bewegung des Druckbetts bezüglich der Lagerstellen 56, 58, 60, 62. Die Lagerstelle 56 an der Hinterseite des 3D-Druckers 1 und in der Breitenrichtung aus Sicht der Vorderseite links ist dabei als Festlager ausgeführt und erlaubt keine Bewegung in Längen- oder Breitenrichtung. Die Lagerstelle 60 an der Hinterseite des 3D-Druckers 1 und in der Breitenrichtung des Druckbettes 4 gegenüber der als Festlager ausgeführten Lagerstelle 56 ist so ausgebildet, dass sich der zugehörige Kugelkopf in der Breitenrichtung bewegen kann.
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Darüber hinaus sind die Lagerstellen 56, 58, 60, 62 auf der Außenseite des Gehäuses 2 jeweils auf einem aus einer Anzahl von Schlitten 66 einer Z-Achsen-Positionierungseinrichtung befestigt. Der Schlitten 66 ist dabei jeweils beweglich auf einer Gewindespindel 68 angeordnet. An einem distalen Ende der Gewindespindel 68 ist jeweils ein Elektromotor 70 angeordnet, welcher im Betrieb die Gewindespindel 68 drehen lässt, wodurch sich der Schlitten 66 und damit das Druckbett 4 in der Höhenrichtung auf- und ab bewegen kann. Darüber hinaus ist der Schlitten 66 jeweils mit einer Führungsschiene 72 verbunden, welche den Schlitten 66 wenn dieser sich aufgrund der Rotation der Gewindespindel 68 auf und ab bewegt, führt. Der Schlitten 66, der Elektromotor 70, die Gewindespindel 68 und eine zugehörige Spindelmutter bilden dabei zusammen ein Beispiel einer „Linearantriebseinheit“ und die Führungsschiene 72 stellt ein Beispiel einer „Linearführung“ dar.
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In den Aussparungen 204, 206, 208 im Gehäuse 2 des 3D-Druckers 1 sind des Weiteren Komponenten zur Isolation des Bauraums von der Umgebung eingepasst. Im vorliegenden Beispiel sind diese Komponenten (bzw. die Durchführungen für die Positionierungsmimik in Z- und in Y-Richtung) als Schiebekassetten 210 aus einem thermisch isolierenden jedoch mechanisch auch bei hohen Temperaturen beanspruchbaren Material gefertigt. Die Schiebekassetten 210 isolieren den Bauraum thermisch von der Umgebung ohne jedoch die vorstehend beschriebenen Funktionen und Bewegungen einzuschränken, so dass der Bauraum im Betrieb erwärmt werden sowie bei hohen Temperaturen gehalten werden kann und gleichzeitig alle Funktionalitäten des 3D-Druckers 1 erhalten bleiben. Die Aussparung 208 an der Hinterseite des Gehäuses 4 des 3D-Druckers 1 wird durch das darin eingepasste Druckkopf-Magazin 20 geschlossen und isoliert.
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In 5 ist das vorstehend genannte Druckkopf-Magazin 20 dargestellt. Das erwähnte quaderförmige Druckkopf-Magazin 20 ist Bestandteil eines Druckkopf-Wechselsystems des 3D-Druckers 1 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel. An dem Druckkopf-Magazin 20 können weitere mit dem Schlitten 16 koppelbare Druckköpfe 6 angebracht sein, welche im Betrieb ausgewechselt werden können. Außerdem ist an dem Druckkopf-Magazin 20 ein zusätzlicher Messkopf 7 angebracht. Der Messkopf 7 kann im Betrieb mit dem Schlitten 16 gekoppelt werden und bei einer an späterer Stelle beschriebenen Ausrichtung des Druckbetts 4 verwendet werden.
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6 zeigt die als Festlager ausgeführte Lagerstelle 56. Der zugehörige Kugelkopf 561 ist dabei an einem Ende des Kugelkopfträgers 562 angeordnet. Das andere Ende des Kugelkopfträgers 562 wird über eine lösbare Verbindung mit einer der beiden plattenförmigen Stützstrukturen 52 verbunden. Der Kugelkopf 561 ist auf einer unteren Seite in Höhenrichtung in einer Aussparung einer unteren Lagerschale 563 eingepasst und auf einer oberen Seite in Höhenrichtung in einer kalottenförmigen Lagerschale 564 eingepasst. Durchmesser der Aussparung der unteren Lagerschale 563 und der kalottenförmigen Lagerschale 564 sind dabei gleich dem Durchmesser des Kugelkopfs 561, wodurch der Kugelkopf 561 fest zwischen der oberen Lagerschale 564 und der unteren Lagerschale 563 gehalten wird und lediglich rotatorische Bewegungen zugelassen werden. Mit anderen Worten, an dem Festlager 56 ist das Druckbett 4 drehbeweglich gelagert, wobei das Festlager keine Bewegung des Druckbetts 4 in Höhen-, Längen- und Breitenrichtung erlaubt.
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Die Lagerstelle 60 an der Hinterseite des 3D-Druckers 1 und in der Breitenrichtung gegenüber der als Festlager ausgeführten Lagerstelle 56 ist so ausgebildet, dass sich der zugehörige Kugelkopf 601 in der Breitenrichtung bewegen kann.
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7 zeigt die Lagerstelle 60, welche, wie vorstehend genannt, eine Bewegung des Kugelkopfs 601 in der Breitenrichtung zulässt. Ähnlich wie bei der vorstehend beschriebenen als Festlager ausgeführten Lagerstelle 56 ist der Kugelkopf 601 an einem Ende eines Kugelkopfträgers 602 angeordnet. Das andere Ende des Kugelkopfträgers 602 ist über eine lösbare Verbindung mit der einen der beiden plattenförmigen Stützstruktur 52 in Breitenrichtung gegenüber der als Festlager ausgeführten Lagerstelle 56 verbunden. Der Kugelkopf 601 ist in einer Aussparung 604 mit einem kreisförmigen Querschnitt, welche sich in der Breitenrichtung in einen Lagerstellenhauptkörper 603 erstreckt, angeordnet. Der Durchmesser der Aussparung ist dabei gleich dem Durchmesser des Kugelkopfs 601, wodurch der Kugelkopf 601 in Höhen- und Längenrichtung fest in dem Lagerstellenhauptkörper 603 gehalten wird. Der Kugelkopf 601 kann sich jedoch in der Breitenrichtung innerhalb der Aussparung bewegen. Mit anderen Worten, an der Lagerstelle 60 ist das Druckbett 4 drehbeweglich gelagert, wobei die Lagerstelle 60 lediglich die Bewegung des Druckbetts 4 in der Breitenrichtung (siehe Pfeil in 7) erlaubt und folglich die Bewegung des Druckbetts 4 in der Höhen- und Längenrichtung verhindert.
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Die beiden Lagerstellen 58, 62 an der Vorderseite des 3D-Druckers 1 sind jeweils als Loslager ausgeführt und erlauben somit eine Bewegung des jeweiligen Kugelkopfs 581, 621 in Längen- und Breitenrichtung.
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8 zeigt eine der als Loslager ausgeführten Lagerstellen 58, 62. Wie vorstehend beschrieben, ist der Kugelkopf 581, 621 an einem Ende eines Kugelkopfträgers 582, 622 ausgebildet und das andere Ende des Kugelkopfträgers 582, 622 ist über eine lösbare Verbindung mit der anderen der beiden plattenförmigen Stützstrukturen 54 verbunden. Die beiden als Loslager ausgeführten Lagerstellen 58, 62 sind dabei in Breitenrichtung einander gegenüberliegend mit der anderen der beiden plattenförmigen Stützstrukturen 54 verbunden. Des Weiteren weist die Lagerstelle 58, 62 einen unteren Lagerstellenhauptkörper 585, 625 und eine obere Lagerschale 584, 624 auf. Der Kugelkopf 581, 621 ist an seiner unteren Seite in Höhenrichtung in einer kalottenförmigen unteren Lagerschale 583, 623 eingepasst. Dabei entspricht der Durchmesser der kalottenförmigen Aussparung in der unteren Lagerschale 583, 623 dem Durchmesser des Kugelkopfs 581, 621. Die untere Lagerschale 583, 623 ist an ihrer Unterseite nicht fixiert und kann somit zusammen mit dem Kugelkopf 581, 621, welcher an seiner Oberseite lediglich in einem Punktkontakt zu der oberen Lagerschale 584, 624 steht und ebenfalls nicht fixiert ist, in der Lagerstelle 58, 62 in Längen- und Breitenrichtung gleiten. Dabei gleitet die untere Lagerschale 583, 623 über den unteren Lagerstellenhauptkörper 585, 625. Zusätzlich kann sich der Kugelkopf 581, 621 rotatorisch in der unteren Lagerschale 583, 623 bewegen, so dass eine rotatorische Bewegung zugelassen wird. Mit anderen Worten, an den als Loslager ausgeführten Lagerstellen 58, 62 ist das Druckbett 4 drehbeweglich gelagert, wobei die Lagerstellen 58, 62 die Bewegung des Druckbetts 4 in Längen- und Breitenrichtung (siehe Pfeile in 8) erlauben und die Bewegung des Druckbetts 4 in der Höhenrichtung verhindern.
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Des Weiteren ist an einer Seitenfläche des Druckbetts 4 eine Kalibriervorrichtung 96 vorgesehen. Vor dem Beginn des Druckvorgangs wird an dieser Kalibriervorrichtung 96 ein Abstand zwischen dem Druckkopf 6 und dem Druckbett 4 bestimmt.
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Für einen Druck eines 3D-Objekts mit dem 3D-Drucker 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel wird zunächst die Tür 3 an der Vorderseite geschlossen, wodurch der Bauraum von der Umgebung abgetrennt wird. Als nächstes werden der Bauraum und das Druckbett 4 auf eine im Voraus bestimmte Betriebstemperatur erwärmt. Durch die Erwärmung kann sich das Druckbett 4 ausdehnen. Die Ausdehnung aufgrund des Temperaturanstiegs kann durch die vorstehend beschriebenen Lagerstellen 56, 58, 60, 62 kompensiert werden, so dass keine zusätzlichen Spannungen in dem Druckbett 4 oder an den Lagerstellen 56, 58, 60, 62 auftreten und das Druckbett 4 verspannungsfrei gelagert werden kann.
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Für ein zufriedenstellendes Druckerzeugnis ist eine möglichst ebene Ausrichtung des Druckbetts 4 notwendig, weshalb in einem nächsten Schritt das Druckbett 4 ausgerichtet und nivelliert wird. Dabei bewegt sich der Schlitten 16 zunächst hin zu dem Druckkopf-Magazin 20, um dort einen möglicherweise angekoppelten Druckkopf 6 abzukoppeln und den Messkopf 7 anzukoppeln. Nachdem der Messkopf 7 an den Schlitten 16 angekoppelt wurde, bewegt sich der Schlitten 16 mit dem angekoppelten Messkopf 7 aufgrund der Ansteuerung der die Gewindespindeln 122, 142 antreibenden Elektromotoren 120, 140 relativ zu dem Druckbett 4 zu im Voraus bestimmten Messpositionen.
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An den im Voraus bestimmten Messpositionen wird mit dem Messkopf 7 jeweils eine Druckbetthöhe bestimmt. Die Lagerstellen 56, 58, 60, 62 werden im Anschluss selektiv basierend auf den gemessenen Druckbetthöhen der im Voraus bestimmten Messpositionen durch die jeweiligen Elektromotoren 70 und Gewindespindeln 68 so gesteuert, dass Lageunterschiede in der Höhenrichtung der im Voraus bestimmten Messpositionen minimiert werden.
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Zum Drucken eines 3D-Objekts wird anschließend der Messkopf 7 wieder an das Magazin 20 gekoppelt und ein Druckkopf 6 an den Schlitten 16 angekoppelt. Der Druckkopf 6 wurde in der Zwischenzeit auf Betriebstemperatur vorgeheizt und mittels einer Opferdosierungs-Antriebseinheit (nicht dargestellt) wurde eine sogenannte Opferdosierung vorgenommen, um sicherzustellen, dass der Druckkopf 6 förderbereit ist. Der Druckkopf 6 wird an die Kalibriervorrichtung 96 gefahren, um die genaue Z-Position der Heizdüse 8 des Druckkopfes 6 zu kalibrieren, was Voraussetzung für eine präzise Fertigung des 3D-Objekts ist.
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Im Anschluss daran wird das 3D-Objekt durch Verfahren des Druckkopfs 6 in der X- und Y-Richtung und schrittweise Verfahren des Druckbetts 4 in der Z-Richtung aufgebaut.
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Die Erfindung gemäß der vorliegenden Offenbarung wurde anhand eines beispielhaften Ausführungsbeispiels beschrieben, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Weiterhin kann die Erfindung abgeändert und modifiziert werden ohne jedoch von dem Kern der Erfindung abzuweichen.
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So ist in dem ersten Ausführungsbeispiel die Verteilung der Freiheitsgrade der vier Lagerstellen 56, 58, 60, 62 so ausgeführt, dass die Lagerstelle 56 als Festlager, die Lagerstelle 60 als Lager, welches eine Bewegung in Breitenrichtung des Druckbetts 4 erlaubt, und die beiden weiteren Lagerstellen 58, 62 als Loslager ausgeführt sind. Jedoch kann die Verteilung der Freiheitsgrade der Lagerstellen 56, 58, 60, 62 auch auf jede weitere Art ausgeführt werden. Zu beachten ist lediglich, dass die Lagerstelle, welche eine Bewegung in Breitenrichtung des Druckbetts 4 erlaubt, in Breiten- oder Längenrichtung des Druckbetts 4 gegenüber von der als Festlager ausgeführten Lagerstelle angeordnet ist und nicht in Breiten- und Längenrichtung des Druckbetts 4 diagonal gegenüber von der als Festlager ausgeführten Lagerstelle angeordnet ist.
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Weiterhin erlaubt in dem ersten Ausführungsbeispiel die Lagerstelle, welche weder als Fest- noch als Loslager ausgeführt ist, eine Bewegung in der Breitenrichtung des Druckbetts 4. Allerdings kann die Lagerstelle, welche weder als Fest- noch als Loslager ausgeführt ist, auch eine Bewegung in der Längenrichtung des Druckbetts 4 erlauben und eine Bewegung in der Breitenrichtung des Druckbetts 4 verhindern. Zu beachten ist dabei jedoch, dass die Lagerstelle, welche eine Bewegung in der Längenrichtung des Druckbetts 4 erlaubt und eine Bewegung in der Breitenrichtung des Druckbetts 4 verhindert, in der Breiten- oder Längenrichtung des Druckbetts 4 gegenüber der als Festlager ausgeführten Lagerstelle angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- 3D-Drucker;
- 2
- Gehäuse;
- 3
- Tür;
- 4
- Druckbett;
- 5
- Trägerstruktur;
- 6
- Druckkopf;
- 7
- Messkopf;
- 8
- Heizdüse
- 12
- Positionierungseinrichtung X-Achse;
- 14
- Positionierungseinrichtung Y-Achse;
- 16
- Schlitten;
- 20
- Druckkopf-Magazin;
- 52
- Stützstruktur;
- 54
- Stützstruktur;
- 56
- Lagerstelle;
- 58
- Lagerstelle;
- 60
- Lagerstelle;
- 62
- Lagerstelle;
- 64
- Z-Achsen-Positionierungseinrichtung;
- 66
- Schlitten der Z-Achsen-Positionierungseinrichtung;
- 68
- Spindeltrieb der Z-Achsen Positionierungseinrichtung;
- 70
- Elektromotor der Z-Achsen Positionierungseinrichtung;
- 72
- Führungsschiene der Z-Achsen Positionierungseinrichtung;
- 96
- Kalibriervorrichtung;
- 120
- Elektromotor der X-Achsen Positionierungseinrichtung;
- 122
- Spindeltrieb der X-Achsen Positionierungseinrichtung;
- 124
- Führungsschiene der X-Achsen Positionierungseinrichtung;
- 126
- Lagerbock;
- 140
- Elektromotor der Y-Achsen Positionierungseinrichtung;
- 142
- Spindeltrieb der Y-Achsen Positionierungseinrichtung;
- 144
- Führungsschiene der Y-Achsen Positionierungseinrichtung;
- 202
- Aussparung für Filamentzuführung;
- 204
- Aussparung für Z-Positionierungseintrichtung;
- 206
- Aussparung für Y-Positionierungseintrichtung;
- 208
- Aussparung für Druckkopf-Magazin;
- 210
- Schiebekassette;
- 561
- Kugelkopf
- 562
- Kugelkopfträger
- 563
- unterer Lagerschale
- 564
- obere Lagerschale
- 581, 621
- Kugelkopf
- 582, 622
- Kugelkopfträger
- 583, 623
- untere Lagerschale
- 584, 624
- obere Lagerschale
- 585, 625
- unterer Lagerstellenhauptkörper
- 601
- Kugelkopf
- 601
- Kugelkopfträger
- 603
- Lagerstellenhauptkörper
- 604
- Aussparung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5121329 [0002]
- US 2017/0355139 A1 [0003]
- WO 2017/184002 A1 [0003]
- WO 0078519 A1 [0003, 0004]
