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Die Erfindung betrifft einen 3D-Drucker mit wenigstens einer Bauplattform, die wenigstens eine Arbeitsfläche aufweist, auf der ein Objekt additiv fertigbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines 3D-Druckers mit wenigstens einer Baufläche, auf der ein Objekt additiv fertigbar ist. Zudem betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Baueinheit mit einer Baufläche für einen 3D-Drucker.
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Unter den Ausdruck „3D-Druck“ bzw. „additive Fertigung“ fallen verschiedene Technologien, die zum Herstellen von Produkten mit hochkomplexen Geometrien aus einem Kunststoff oder einem Metall oder einer Metalllegierung oder anderen geeigneten Werkstoffen geeignet sind. Da ein 3D-Druck-Verfahren üblicherweise durch ein schichtweises Aufbauen eines Produkts gekennzeichnet ist, müssen überhängende Geometrien des Produkts durch zusätzliches Material unterstützt werden.
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Aufgrund des üblichen Konzepts eines 3D-Druck-Verfahrens, beispielsweise eines Poly-jet-Verfahrens, werden derzeit Stützstrukturen zum Abstützen von Produktüberhängen hergestellt, die aus demselben Werkstoff wie das herzustellende Produkt oder aus einem anderen Werkstoff gebildet sind. Der Werkstoff der Stützstrukturen muss nach der Herstellung des Produkts wieder entfernt werden. Dies ist bei nahezu allen Produkten mit komplexer Geometrie erforderlich. Das Ausbilden und Entfernen der Stützstrukturen verursacht daher eine zusätzliche Prozesszeit und einen zusätzlichen Werkstoffverbrauch, der in Abhängigkeit der Produktgröße, der Prozessorientierung und der Produktgeometrie erheblich sein kann. Da die Prozesszeit immer wichtig ist und der 3D-Druck-Werkstoff sehr kostenintensiv ist, sollte jede Maßnahme ergriffen werden, um die Prozesszeit und den Werkstoffverbrauch zu reduzieren.
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Die US 2004 / 0 159 974 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Spritzgießen eines Produkts. Die Vorrichtung weist eine Stiftanordnung mit einer Vielzahl von Stiften auf, wobei jeder Stift eine feste x-Koordinatenposition, eine feste y-Koordinatenposition und eine bewegbare z-Koordinatenposition aufweist.
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Die
US 9 017 589 B2 offenbart ein Verfahren für die Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels dreidimensionalem Drucken durch Nachliefern eines ersten Grenzflächenmaterials aus einem Spender, das wenigstens eine reaktive Komponente, wenigstens einen Photoinitiator, wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff und wenigstens einen Stabilisator sowie bei Zimmertemperatur eine erste Viskosität über 50 mPa·s (cps) aufweist. Durch Härten des genannten ersten Grenzflächenmaterials, was zu einer festen Form führt, wodurch mehrere Konstruktionsschichten erzeugt werden, wird das genannte dreidimensionale Objekt gebildet. Das Verfahren weist zudem ein Nachliefern eines zweiten Grenzflächenmaterials aus dem genannten Spender auf, das wenigstens eine nicht reaktive Verbindung mit niedriger Toxizität, wenigstens einen grenzflächenaktiven Stoff und wenigstens einen Stabilisator aufweist. Des Weiteren weist das Verfahren ein Kombinieren des genannten ersten Grenzflächenmaterials und des genannten zweiten Grenzflächenmaterials in einer Schicht in vorgegebenen Verhältnissen und ein Härten oder Bestrahlen der genannten zweiten Grenzflächenmaterialien auf, was zu einer flüssigen oder zu einer halb festen Form führt.
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Die US 2015 / 0 210 007 A1 offenbart einen 3D-Drucker mit einer kinematischen Kopplung zwischen der Bauplattform und einer beweglichen Bühne, die die Bauplattform hält. Die Kopplung weist drei gekrümmte Vorsprünge, die an der Bauplattform oder der beweglichen Bühne angebracht sind, und sechs Lokalisierungsmerkmale auf, die in Aufnahmen an der beweglichen Bühne bzw. der Bauplattform ausgebildet sind. Wenigstens zwei Biegeelemente ändern teilweise eine Z-Position von jedem von zwei der gekrümmten Vorsprüngen. Das 3D-Drucken wird bei einer vorgegebenen Fertigstellungsstufe angehalten, und die Bauplattform kann für externe Vorgänge entfernt werden. Eine Druckwiederaufnahmeschaltung setzt das Drucken zusätzlicher gedruckter Schichten an der vorherigen Position als Reaktion auf eine Rückkehrerfassungsschaltung fort, die auf eine Eingabe antwortet.
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Die US 2001 / 0 045 688 A1 offenbart eine Golfballeinspritzform mit elektrisch angetriebenen Teileausstoßmechanismen als Aktuatoren, um einziehbare Kernstifte zu steuern, die einen vorgeformten Kern in einem kugelförmigen Formhohlraum tragen. Die Kernstifte können präzise und unabhängig sowohl in den oberen als auch in den unteren Formsegmenten gesteuert werden, um die gewünschte Positionierung und Geschwindigkeiten in der vertikalen Richtung mit unterschiedlichen Eindrückgraden zum Halten der kugelförmigen Kerneinsätze zu erreichen.
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Die WO 1998 / 002 262 A1 offenbart eine einstellbare Gießform mit einem Kastenteil und mit einer Vielzahl vom Kastenteil getragener, eine Formfläche vorgebender und aneinander anstoßender Formstifte, die in axialer Richtung einstellbar sind. Die Formstifte sind jeweils über eine in der Länge einstellbare Strebe am Kastenteil abgestützt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoffverbrauch und eine Prozesszeit beim 3D-Drucken von additiv fertigbaren Objekten zu reduzieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen 3D-Drucker mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, der parallel zueinander ausgerichtete Stützstifte aufweist, die matrixartig beabstandet voneinander und individuell in ihre Längsrichtungen quer zu der Arbeitsfläche verschiebbar an der Bauplattform angeordnet und in ihren jeweiligen Stellungen relativ zu der Bauplattform zeitweilig festlegbar sind.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Erfindungsgemäß können aus der Arbeitsfläche einzelne Stützstifte individuell ausgefahren und dadurch zum Abstützen von wenigstens einem Überhang eines mit dem 3D-Drucker herzustellenden Objekts verwendet werden. Es muss zu einem solchen Abstützen somit kein herkömmlich erforderlicher zusätzlicher Werkstoff verwendet werden, der zudem nach additiver Fertigung des Objekts entfernt werden müsste. Hierdurch werden der Werkstoffverbrauch und eine Prozesszeit beim 3D-Drucken von Objekten reduziert, was Kosten reduziert und zudem eine Serienfertigung von Objekten optimiert.
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Nach Abschluss der additiven Fertigung eines Objekts können die Stützstifte durch individuelles Verschieben neu relativ zueinander und relativ zu der Arbeitsfläche ausgerichtet werden, um ein anderweitig ausgebildetes Objekt mit wenigstens einem Überhang ausbilden bzw. abstützen zu können. Das individuelle Verschieben der Stützstifte relativ zur Bauplattform ist reversibel. Die Bauplattform mit den daran angeordneten Stützstiften kann also wiederverwendet werden, was ebenso Herstellungskosten und insbesondere einen Werkstoffverbrauch senkt. Die Stützstifte können auch derart relativ zu der Arbeitsfläche positioniert werden, dass eine axiale Stirnseite des jeweiligen Stützstifts einen Abschnitt der Arbeitsfläche bildet, so dass auf der Bauplattform ein Objekt ohne Überhang hergestellt werden kann.
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Unter einem Überhang ist im Rahmen der Erfindung ein Abschnitt des hergestellten Objekts zu verstehen, der sich in einem Abstand zu der Arbeitsfläche der Bauplattform befindet und daher während der additiven Fertigung des Objekts gegenüber der Arbeitsfläche abgestützt werden muss.
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Die Stützstifte können ein dem herzustellenden Objekt zugewandtes verdicktes Ende aufweisen oder durchgehend zylinderförmig ausgebildet sein. Die Stützstifte können teilweise oder vollständig aus einem Kunststoff, einem faserverstärkten Kunststoff, einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt sein. Die Stützstifte können in Form einer n x n-Matrix symmetrisch beabstandet voneinander an der Bauplattform angeordnet sein, wobei n die Anzahl von Stützstiften einer Reihe bzw. einer Spalte ist. Alternativ können Stützstifte einer Stützstiftreihe, beispielsweise um eine halbe Dicke eines Stützstifts, versetzt zu Stützstiften einer benachbart zu der Stützstiftreihe angeordneten weiteren Stützstiftreihe angeordnet sein, so dass die Stützstifte einen dichteren Verbund bilden können. Die Stützstifte sind in einer durch die Arbeitsfläche definierten x-y-Ebene fest an der Bauplattform angeordnet und in der senkrecht auf der x-y-Ebene stehenden z-Richtung verschiebbar an der Bauplattform angeordnet. Durch das zeitweilige Festlegen der Stützstifte in ihren jeweiligen Stellungen relativ zu der Bauplattform wird zuverlässig verhindert, dass sich die Stützstifte während der additiven Fertigung des Objekts selbsttätig relativ zu der Bauplattform verlagern.
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Die Bauplattform kann ortsfest oder höhenverstellbar angeordnet sein. Die Arbeitsfläche kann eben ausgebildet sein. An der Bauplattform können Durchbrechungen ausgebildet sein, durch die jeweils ein Stützstift hindurchgeführt ist. Beispielsweise kann der jeweilige Stützstift formschlüssig in die jeweilige Durchbrechung eingreifen. Die Bauplattform kann teilweise oder vollständig aus einem Kunststoff, einem Verbundwerkstoff oder einem metallischen Werkstoff hergestellt sein.
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Der 3D-Drucker kann zur additiven Fertigung von Objekten unter Verwendung eines Kunststoffwerkstoffs (auch Keramik wie z.B. Zr02), eines faserverstärkten Kunststoffwerkstoffs und/oder eines metallischen Werkstoffs eingerichtet sein. Der 3D-Drucker kann beispielsweise zur Durchführung eines Poly-jet-Verfahrens bzw. eines Multi-jet-Verfahrens eingerichtet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der 3D-Drucker wenigstens eine Verstellvorrichtung zum individuellen Verschieben der Stützstifte in ihre Längsrichtungen quer zu der Arbeitsfläche auf. Die Verstellvorrichtung ist vorzugsweise elektrisch ansteuerbar bzw. betätigbar, so dass das individuelle Verschieben der Stützstifte automatisch durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann so das individuelle Verschieben der Stützstifte in Abhängigkeit eines Datenmodells des herzustellenden Objekts automatisch durchgeführt werden. Dies kann also rechnergestützt in die Prozesssteuerung des 3D-Druckers eingebunden werden. Die Verstellvorrichtung kann beispielsweise elektromechanisch oder elektromagnetisch auf die Stützstifte einwirken.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Verstellvorrichtung zum zeitweiligen Festlegen der Stützstifte in ihren jeweiligen Stellungen relativ zu der Bauplattform eingerichtet ist. Hierdurch ist keine weitere technische Maßnahme zum zeitweiligen Festlegen der Stützstifte erforderlich. Alternativ kann eine anderweitige technische Maßnahme zum zeitweiligen Festlegen der Stützstifte vorhanden sein. Insbesondere kann das zeitweilige Festlegen durch eine Haftreibung zwischen den Stützstiften und der Bauplattform realisiert sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Verstellvorrichtung individuell elektromagnetisch auf die Stützstifte einwirkend ausgebildet, wobei die Stützstifte zumindest teilweise magnetisierbar ausgebildet sind. Hiernach sind keine mechanischen Mittel zum individuellen Verschieben der Stützstifte erforderlich.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist wenigstens ein Stützstift eine kreisförmige, ovale oder zumindest teilweise polygonale Querschnittsfläche auf. Eine von einer kreisförmigen Querschnittsfläche abweichende Querschnittsfläche kann eine Verdrehsicherung ausbilden, um zu vermeiden, dass sich der jeweilige Stützstift um seine Längsmittelachse relativ zu der Bauplattform drehen kann.
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Die obige Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst, gemäß dem eine Formgebung der Baufläche in Abhängigkeit einer Formgebung des jeweilig additiv zu fertigenden Objekts reversibel variiert wird.
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Mit dem Verfahren sind die oben mit Bezug auf den 3D-Drucker genannten Vorteile entsprechend verbunden. Insbesondere kann der 3D-Drucker gemäß einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden. Dabei wird die Baufläche, insbesondere bei der Herstellung eines Objekts mit wenigstens einem Überhang, teilweise durch die Arbeitsfläche der Bauplattform und teilweise durch axiale Stirnseiten der Stützstifte gebildet. Die Baufläche kann so individuell an die Formgebung des jeweilig herzustellenden Objekts angepasst werden und durch die dabei gegebene Reversibilität wiederverwendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Formgebung der Baufläche in Abhängigkeit der Formgebung des jeweilig additiv zu fertigenden Objekts automatisch variiert. Beispielsweise kann hierzu das individuelle Verschieben der Stützstifte in Abhängigkeit eines Datenmodells des herzustellenden Objekts automatisch durchgeführt werden. Dies kann rechnergestützt in die Prozesssteuerung des 3D-Druckers eingebunden werden. Ein solches Vorgehen ermöglicht die zeitgemäße Ansteuerung der Stützstifte (Ausfahren in Z-Richtung) gemäß den jeweiligen Fertigungsprozessschritten.
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Die obige Aufgabe wird ferner durch eine Verwendung einer Baueinheit mit einer Baufläche für einen 3D-Drucker gelöst, wobei auf der Baufläche verschiedene Objekte additiv fertigbar sind und die eine in Abhängigkeit einer Formgebung des jeweilig additiv zu fertigenden Objekts reversibel variierbare Formgebung aufweist wobei die Baufläche teilweise durch eine Bauplattform und teilweise durch parallel zueinander ausgerichtete Stützstifte gebildet ist, die matrixartig beabstandet voneinander und individuell in ihre Längsrichtungen quer zu der Baufläche verschiebbar an der Bauplattform angeordnet und in ihren jeweiligen Stellungen relativ zu der Bauplattform zeitweilig festlegbar sind.
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Zielführend bei der Verwendung der Baueinheit mit der Baufläche für den 3D-Drucker ist, wenn die Formgebung der Baufläche in Abhängigkeit der Formgebung des jeweilig additiv zu fertigenden Objekts automatisch variiert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
- 1 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen 3D-Drucker und
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen 3D-Drucker.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen 3D-Drucker 1 mit einer Bauplattform 2, die eine Arbeitsfläche 3 aufweist, auf der ein nicht gezeigtes Objekt additiv fertigbar ist.
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Zudem weist der 3D-Drucker 1 parallel zueinander ausgerichtete Stützstifte 4 auf, die matrixartig beabstandet voneinander und individuell in ihre Längsrichtungen quer zu der Arbeitsfläche 3 verschiebbar an der Bauplattform 2 angeordnet und in ihren jeweiligen Stellungen relativ zu der Bauplattform 2 zeitweilig festlegbar sind. Die Stützstifte 4 weisen jeweils eine kreisförmige Querschnittsfläche auf.
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Die Stützstifte 4 sind in parallelen Stützstiftreihen 5 angeordnet. Die Stützstifte 4 einer Stützstiftreihe 5 sind um eine halbe Dicke eines Stützstifts 4 versetzt zu Stützstiften 4 einer benachbart zu der Stützstiftreihe 5 angeordneten weiteren Stützstiftreihe 5 angeordnet, so dass die Stützstifte 4 einen dichteren Verbund bilden.
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Der 3D-Drucker 1 weist eine nicht gezeigte Verstellvorrichtung zum individuellen Verschieben der Stützstifte 4 in ihre Längsrichtungen quer zu der Arbeitsfläche 3 auf. Die Verstellvorrichtung kann zudem zum zeitweiligen Festlegen der Stützstifte 4 in ihren jeweiligen Stellungen relativ zu der Bauplattform 2 eingerichtet sein. Die Verstellvorrichtung kann individuell elektromagnetisch auf die Stützstifte 4 einwirkend ausgebildet sein, wobei die Stützstifte 4 teilweise oder vollständig magnetisierbar ausgebildet sein können.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen 3D-Drucker 6 mit einer Bauplattform 2, die eine Arbeitsfläche 3 aufweist, auf der ein Objekt 7 additiv fertigbar ist, welches einen Überhang 8 aufweist.
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Zudem weist der 3D-Drucker 6 parallel zueinander ausgerichtete Stützstifte 4 auf, die matrixartig beabstandet voneinander und individuell in ihre Längsrichtungen quer zu der Arbeitsfläche 3 verschiebbar an der Bauplattform 2 angeordnet und in ihren jeweiligen Stellungen relativ zu der Bauplattform 2 zeitweilig festlegbar sind. In 2 stützen die Stützstifte 4 den Überhang 8 des Objekts 7 gegenüber der Bauplattform 2 ab.
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Der 3D-Drucker 1 weist eine nicht gezeigte Verstellvorrichtung zum individuellen Verschieben der Stützstifte 4 in ihre Längsrichtungen quer zu der Arbeitsfläche 3 auf. Die Verstellvorrichtung kann zudem zum zeitweiligen Festlegen der Stützstifte 4 in ihren jeweiligen Stellungen relativ zu der Bauplattform 2 eingerichtet sein. Die Verstellvorrichtung kann individuell elektromagnetisch auf die Stützstifte 4 einwirkend ausgebildet sein, wobei die Stützstifte 4 teilweise oder vollständig magnetisierbar ausgebildet sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- 3D-Drucker
- 2
- Bauplattform
- 3
- Arbeitsfläche von 2
- 4
- Stützstift
- 5
- Stützstiftreihe
- 6
- 3D-Drucker
- 7
- Objekt
- 8
- Überhang von 7
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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