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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Zu den generativen Fertigungsverfahren zählt insbesondere das 3D-Drucken. Beim 3D-Drucken werden flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut. Beispielsweise können metallische Werkstoffe oder thermoplastische Werkstoffe 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.
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Handelt es sich bei dem Werkstoff um einen oxidationsempfindlichen Werkstoff, insbesondere um eine Metallschmelze oder ein Metallpulver, erfolgt der Aufbau in der Regel in einer abgeschlossenen Baukammer, die mit einem Schutzgas beaufschlagt wird. Das Schutzgas verdrängt dabei die ursprünglich in der Baukammer vorhandene Luft, so dass eine Schutzgasatmosphäre geschaffen wird, die eine unerwünschte Reaktion des oxidationsempfindlichen Werkstoffs, mit Luftsauerstoff verhindert. Als Schutzgas werden in der Regel reaktionsträge oder chemisch inerte Gase eingesetzt, beispielsweise Argon, Helium, Stickstoff oder Mischungen aus diesen. Bei einem Schutzgas kann es sich demnach sowohl um ein Gas, als auch um eine Gasmischung handeln.
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Damit in einer Schutzgasatmosphäre gefertigt werden kann, muss die Baukammer gegen Umgebungsatmosphäre abgedichtet werden. Alternativ kann das Schutzgas mit leichtem Überdruck in die Baukammer eingeleitet werden, das anschließend über Leckagestellen in die Umgebung entweicht. In diesem Fall steigt jedoch der Gasverbrauch erheblich, so dass das Verfahren wenig wirtschaftlich ist. Zudem wird durch das entweichende Schutzgas die Umwelt belastet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die generative Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks in einer Schutzgasatmosphäre wirtschaftlicher und umweltfreundlicher zu gestalten.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen oder festen Werkstoff, die eine mit einem Schutzgas beaufschlagbare Baukammer und eine in die Baukammer hineinragende Abgabeeinrichtung zur Abgabe des Werkstoffs umfasst. Bei der Abgabeeinrichtung kann es sich beispielsweise um einen Druckkopf eines 3D-Druckers handeln. In diesem Fall ist die Vorrichtung ein 3D-Drucker. Erfindungsgemäß ist zwischen der Baukammer und der Abgabeeinrichtung ein Dichtrahmen angeordnet, der eine Dichtebene als Schnittstelle zur Abgabeeinrichtung ausbildet.
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Die Schnittstelle zwischen der Abgabeeinrichtung und der Baukammer stellt eine häufige Leckagestelle bei der generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks in einer Schutzgasatmosphäre dar. Daher erfordert dieser Bereich spezielle Abdichtungsmaßnahmen. Das vorgeschlagene Dichtkonzept sieht einen Dichtrahmen vor, der eine Dichtebene als Schnittstelle ausbildet. Über die Dichtebene kann in einfacher Weise die Abdichtung realisiert werden. Zugleich lässt die Dichtebene Relativbewegungen zwischen dem Dichtrahmen und der Abgabeeinrichtung zu, so dass beispielsweise der Druckkopf bei der Fertigung des dreidimensionalen Werkstücks bewegt werden kann. Die Dichtebene verläuft vorzugsweise horizontal, so dass die Abgabeeinrichtung von oben auf den Dichtrahmen aufgesetzt und/oder in einer horizontalen Ebene gegenüber dem Dichtrahmen bewegt werden kann.
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Der vorgeschlagene Dichtrahmen ist bevorzugt mit der Baukammer verbunden. Da die Baukammer in der Regel eine einfache Grundform aufweist, kann die Form des Dichtrahmens einfach angepasst werden. Auf diese Weise lässt sich eine dichte Verbindung zwischen dem Dichtrahmen und der Baukammer einfach realisieren. Besonders bevorzugt ist die Verbindung zwischen dem Dichtrahmen und der Baukammer relativ gasdicht, um ein Entweichen des Schutzgases aus der Baukammer während der Fertigung eine dreidimensionalen Werkstücks zu verhindern.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Baukammer und/oder die Abgabeeinrichtung in mindestens eine Richtung, vorzugsweise in mindestens zwei senkrecht zueinander liegende Richtungen, beweglich angeordnet ist bzw. sind. Auf diese Weise kann bzw. können die Baukammer und/oder die Abgabeeinrichtung relativ zueinander bewegt werden, um in der Baukammer schichtweise das dreidimensionale Werkstück aufzubauen. Die Bewegungen können beispielsweise mit Linearantrieben bewirkt werden.
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Da der Dichtrahmen in einer Ebene stattfindende Relativbewegungen ohne Weiteres zulässt, können senkrecht in Bezug auf diese Ebene erforderliche Bewegungen durch bewegliche Teile der Baukammer und/oder der Abgabeeinrichtung realisiert werden. Beispielsweise kann in der Baukammer ein Werkstückträger angeordnet sein, der anhebbar und absenkbar ist. Alternativ oder ergänzend kann die Abgabeeinrichtung ein in die Baukammer hineinragendes Teil aufweisen, das anhebbar und absenkbar ist.
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Vorteilhafterweise wird die Dichtebene durch Gleitleisten des Dichtrahmens ausgebildet. Die Gleitleisten reduzieren die Reibkräfte bei Relativbewegungen zwischen dem Dichtrahmen und der Abgabeeinrichtung, so dass Relativbewegungen einfacher ausführbar sind. Vorzugsweise sind die Gleitleisten aus Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise aus Polyetheretherketon (PEEK) oder aus modifiziertem Polyetheretherketon, gefertigt. Diese Werkstoffe weisen gute Gleiteigenschaften auf, so dass die im Reibkontakt zwischen dem Dichtrahmen und der Abgabeeinrichtung entstehenden Reibkräfte weiter reduziert werden. Darüber hinaus zeichnet sich PEEK durch thermische Resistenz aus, welche für die Abgaseinrichtung geeignet ist, da diese eine hohe Wärme abstrahlt.
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Die Gleitleisten sind vorzugsweise jeweils nur an einer Stelle am Dichtrahmen lagefixiert. Das heißt, dass thermisch bedingte Längenänderungen möglich sind. Ferner können sich der Dichtrahmen und die Gleitleisten - sofern die Werkstoffe unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen - unterschiedlich stark ausdehnen, und zwar spannungsfrei, da die Gleitleisten jeweils nur einmal am Dichtrahmen fixiert sind. Die Fixierung bzw. Lagefixierung kann beispielsweise mit Hilfe einer Schraube und/oder einem Passstift vorgenommen werden. Vorzugsweise ist die eine Stelle, an welcher eine Gleitleiste lagefixiert ist, im Bereich eines Endes der Gleitleiste angeordnet, das gegen eine weitere Gleitleiste stumpf gestoßen ist. Das andere Ende ist nicht gegen eine weitere Gleitleiste gestoßen, sondern läuft an einem fixierten Ende einer weiteren Gleitleiste vorbei, so dass sich über dieses Ende die Gleitleiste auszudehnen vermag.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Dichtrahmen eine rechteckige Grundform auf. Diese lässt sich einfach herstellen und/oder mit der Baukammer verbinden, da diese in der Regel quaderförmig ist. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Dichtrahmen aus Profilen, vorzugsweise aus vier einzelnen Profilen zusammengesetzt ist. Auf diese Weise kann auch der Dichtrahmen so gestaltet werden, dass thermisch bedingte Längenänderungen möglich sind.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Dichtrahmen zur Abstützung an der Baukammer einen umlaufenden Flansch aufweist. Der Flansch erstreckt sich vorzugsweise in einer Ebene parallel zur Dichtebene, so dass der Dichtrahmen von oben auf die Baukammer aufgesetzt werden kann. Um das Volumen der Baukammer nicht zu verkleinern, wird vorgeschlagen, dass der Flansch innenseitig am Dichtrahmen angeordnet ist, so dass der Dichtrahmen außerhalb der Baukammer zu liegen kommt.
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Die Abgabeeinrichtung liegt vorzugsweise über eine ebene Anlagefläche am Dichtrahmen, vorzugsweise an den Gleitleisten des Dichtrahmens an. Auf diese Weise wird eine umlaufende Abdichtung erreicht. Die ebene Anlagefläche kann beispielsweise durch ein Gehäuse der Abgabeeinrichtung oder durch eine Platte ausgebildet werden.
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Weiterhin vorzugsweise ist die Abgabeeinrichtung gegenüber dem Dichtrahmen vorgespannt. Die Vorspannung erhöht die Dichtkraft im Kontaktbereich, so dass die Abdichtung verbessert wird. Die Vorspannung kann beispielsweise durch das Eigengewicht der Abgabeeinrichtung bewirkt werden, sofern die Anordnung der Abgabeeinrichtung oben auf dem Dichtrahmen erfolgt. Alternativ oder ergänzend kann eine separate Spanneinrichtung vorgesehen sein, mittels welcher die Abgabeeinrichtung und der Dichtrahmen miteinander verspannt werden können.
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Darüber hinaus kann auch der Dichtrahmen gegen die Abgabeeinrichtung vorgespannt sein, um eine Erhöhung der Dichtkraft im Kontaktbereich zu bewirken. Vorzugsweise wird die Vorspannung mittels mindestens einer Feder erreicht, deren Federkraft unmittelbar oder mittelbar über die Baukammer auf den Dichtrahmen wirkt. Beispielsweise kann der Dichtrahmen oder die Baukammer federnd gelagert sein.
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Wie zuvor bereits erwähnt kann es sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere um einen 3D-Drucker handeln. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der 3D-Drucker ein Metall-3D-Drucker ist, der eine Metallschmelze oder dergleichen als Werkstoff einsetzt. Da Metalle besonders oxidationsgefährdet sind, kommen hier die Vorteile der Erfindung besonders gut zum Tragen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich der Schnittstelle zwischen einer Baukammer und einer Abgabeeinrichtung,
- 2 eine perspektivische Darstellung des Dichtrahmens der Vorrichtung der 1 und
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt der 1.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 schematisch und nur ausschnittsweise dargestellte Vorrichtung dient der generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen oder festen Werkstoff. Der flüssige oder feste Werkstoff wird mit Hilfe einer Abgabeeinrichtung 2 in eine Baukammer 1 abgegeben, so dass in der Baukammer 1 das dreidimensionale Werkstück entsteht. Sofern es sich bei dem Werkstoff um einen metallischen Werkstoff handelt, wird die Fertigung in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt, um eine Oxidation des metallischen Werkstoffs zu verhindern. Die Baukammer 1 wird hierzu mit einem geeigneten Schutzgas beaufschlagt.
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Die Schnittstelle zwischen der Abgabeeinrichtung 2 und der Baukammer 1 stellt dabei eine Leckagestelle dar, die es abzudichten gilt, damit das Schutzgas nicht in die Umwelt entweicht. Die dargestellte Vorrichtung weist hierzu einen aus vier einzelnen Profilen 9 gebildeten, rechteckigen Dichtrahmen 3 auf, der mit der Baukammer 1 verbunden, vorliegend mit Hilfe von Befestigungsschrauben 13 mit der Baukammer 1 verschraubt ist. Der Dichtrahmen 3 weist innenliegend einen sich horizontal ersteckenden Flansch 11 auf, über den der Dichtrahmen 3 zusätzlich an der Baukammer 1 abgestützt ist. An ihrer Oberseite weisen die Profile 9 des Dichtrahmens 3 jeweils eine Führung 7 auf, in die eine Gleitleiste 5 eingesetzt ist. Die Gleitleisten 5 definieren eine Dichtebene 4, welche zugleich die Schnittstelle zur Abgabeeinrichtung 2 darstellt.
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Die Abgabeeinrichtung 2 weist zur Anlage an den Gleitleisten 5 des Dichtrahmens 3 eine ebene Anlagefläche 12 auf, die vorliegend durch eine Platte 14 gebildet wird. Über die Platte 14 wird das Eigengewicht der Abgabeeinrichtung 2 gleichmäßig auf die Gleitleisten 5 verteilt, so dass über das Eigengewicht eine Vorspannung der Abgabeeinrichtung 2 gegenüber dem Dichtrahmen 3 und damit eine zusätzliche Dichtkraft erreicht wird. Zugleich gewährleisten die Gleitleisten 5, dass Relativbewegungen zwischen der Abgabeeinrichtung 2 und dem Dichtrahmen 3 innerhalb der Dichtebene 4 möglich sind. Beispielsweise kann die Abgabeeinrichtung 2 gegenüber dem Dichtrahmen 3 und damit gegenüber der Baukammer 1 oder die Baukammer 1 gegenüber der Abgabeeinrichtung 2 verschoben werden, sofern jeweils die Verschiebung parallel zur Dichtebene 4 erfolgt.
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Der Aufbau der Abgabeeinrichtung 2 oberhalb der Platte 14 ist in der 1 nicht dargestellt, da er grundsätzlich beliebig sein kann.
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In der 2 ist allein der Dichtrahmen 3 dargestellt. Er umfasst vier einzelne Profile 9, die zu einem rechteckigen Rahmen zusammengesetzt sind, wobei die Profile 9 in den Rahmenecken stumpf gestoßen sind. Jedes Profil 9 weist auf seiner Oberseite eine Führung 7 für eine Gleitleiste 5 auf. Die Führungen 7 sind jeweils an einem ihrer beiden Enden bis zu einer Außenkante 8 des Dichtrahmens 3 geführt, und zwar über den Stoßbereich zweier über Eck angeordneter Profile 9 hinweg (siehe 3). Das jeweils andere Ende endet vor der jeweiligen Außenkante 8, und zwar an einer Führung 7, welche die erste Führung kreuzt. Die in die Führungen 7 eingesetzten Gleitleisten 5 sind entsprechend angeordnet. Darüber hinaus sind die Gleitleisten 5 jeweils nur an einer Stelle 6 am Dichtrahmen 3 fixiert, und zwar an dem Ende, an dem die Gleitleiste 5 an einer kreuzenden Gleitleiste 5 endet. Dadurch ist es möglich, dass sich die Gleitleisten 5 ungehindert ausdehnen können. Die Fixierung wird vorliegend mittels Befestigungsschrauben 10 bewirkt.
