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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Verfahren zum Formenbau, Modellbau und zum sogenannten Prototyping sind in der Technik seit langem bekannt.
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Im Folgenden wird hauptsächlich auf das sogenannte Prototyping Bezug genommen, das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich jedoch auch auf die Erstellung von Formen übertragen, welche nicht notwendigerweise Prototypen sein müssen. Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch beispielsweise Laminierformen oder Tiefziehformen erzeugt werden.
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Beim sogenannten Prototyping wird die Form des zu erzeugenden Körpers (dies kann beispielsweise ein Automobil oder ein Schiffsrumpf sein) häufig im Wesentlichen mit handwerklichen Methoden individuell hergestellt. Hierbei wird häufig eine Grundform aus Sperrholz oder ähnlichem gebaut und auf diese Grundform wird mit formbarer Masse dann eine Hüllschicht aufgetragen, deren Außenkontur dann der endgültigen Form entspricht. Eine solche Vorgehensweise ist natürlich sehr aufwendig und man benötigt spezialisiertes Personal.
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Aus der
EP 1 242 230 B1 ist ein vollständig automatisierbares Verfahren zur Herstellung großer Körper bekannt. Hierbei wird schichtweise ein aufschäumendes Material aufgetragen, um so einen Rohkörper zu erzeugen, welcher in weiteren Verfahrensschritten endbearbeitet wird. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass ganz oder teilweise automatisch sehr große Körper erzeugt werden können, wobei ein weiterer Vorteil darin liegt, dass das Gewicht der Körper aufgrund der Verwendung eines aufschäumenden Materials relativ gering ist. Nachteilig ist, dass die hierfür benötigte Verfahrenstechnik sehr aufwendig ist.
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Aus der gattungsbildenden
EP 1 102 138 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Formteils bekannt, bei welchem in einem ersten Schritt aus einer Mehrzahl von Bausteinen ein Rohkörper zusammengefügt wird und bei welchem in einem nachfolgenden Schritt ein volumenreduzierendes Bearbeiten des Rohkörpers erfolgt.
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Ein ähnliches Verfahren beschreibt auch die
DE 37 11 470 A1 . Hier wird der Rohkörper aus einer Mehrzahl von Platten aufgebaut. Das volumenreduzierende Bearbeiten erfolgt mittels eines Laserstrahls.
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Ein ähnliches Verfahren, hier zum Herstellen einer Gießform, ist aus der
DE 198 25 448 A1 bekannt.
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Die
DE 90 11 217 U1 beschreibt Bausteine zum Erzeugen einer selbsttragenden Baustruktur.
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Aus der
US 7 658 464 B2 ist ein 3D-Druckverfahren bekannt, bei welchem aus einer Mehrzahl von Auftragsköpfen aushärtendes Material auf einen sich bewegenden Träger aufgetragen wird.
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Hiervon ausgehend stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers zur Verfügung zu stellen, welches zum einen zu einem hohen Grad (insbesondere auch vollständig) automatisierbar ist und welches technisch relativ einfach umzusetzen ist, wobei insbesondere auch sehr lange Körper herstellbar sein sollen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Wie in der gattungsbildenden
EP 1 102 138 A1 auch, wird durch Zusammenfügen vorgefertigter Bausteine zunächst ein Rohkörper erzeugt. Das Zusammenfügen vorgefertigter Bausteine ist grundsätzlich sehr einfach, entweder mittels eines Roboters oder auch manuell, möglich. Ein Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass ein Rohkörper mit einem relativ großen Volumen in sehr kurzer Zeit erzeugt werden kann, da die verwendeten Bausteine in sich bereits fest sind.
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Der Rohkörper wird in einem ersten Weiterverarbeitungsschritt volumenreduzierend bearbeitet, das heißt, der Rohkörper wird mit Übermaß gefertigt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung des Körpers auf einem horizontal beweglichen Träger, welcher während des Herstellungsprozesses kontinuierlich oder diskontinuierlich horizontal bewegt wird. Weiterhin sind wenigstens zwei in horizontaler Richtung voneinander beabstandete Arbeitsstationen vorgesehen, an welchen das Zusammenfügen des Rohkörpers und das volumenreduzierendes Bearbeiten des Rohkörpers erfolgt, sodass das volumenreduzierende Bearbeiten beginnt, bevor die Erstellung des Rohkörpers abgeschlossen ist.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass sehr lange Körper in einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen Prozess dadurch erzeugt werden können, dass der Rohkörper an einer Stelle erzeugt wird, während er an einer anderen Stelle, welche von der „Erzeugungsstelle“ horizontal beabstandet ist, bearbeitet wird. Man könnte dies als „horizontales Prototyping“, „kontinuierliches horizontales Prototyping“ oder „quasikontinuierliches horizontales Prototyping“ bezeichnen. Wie man später mit Bezug auf das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel noch genauer sehen wird, kann somit ein im Prinzip beliebig langer Körper mittels einer relativ kleinen Anlage erzeugt werden, durch welche der zu erzeugende Körper horizontal hindurch bewegt wird.
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Um eine genaue Positionierung und Vorfixierung der Bausteine zu erreichen, sind diese vorzugsweise in Form von Klemmbausteinen ausgebildet. Da die Klemmkraft alleine in der Regel nicht ausreichend ist, ist häufig eine zusätzliche Verbindung, insbesondere ein Verkleben, erforderlich. Sofern auf eine Vorfixierung verzichtet werden kann, müssen die Bausteine jedoch keine Klemmbausteine sein und die Bausteine können ausschließlich teilweise miteinander verklebt werden. Die Verwendung von Klemmbausteinen ist im Allgemeinen jedoch bevorzugt.
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In der Regel ist es notwendig, nach dem volumenreduzierenden Bearbeiten einen weiteren Arbeitsschritt derart durchzuführen, dass auf die durch das volumenreduzierende Bearbeiten entstandene Oberfläche eine aushärtende Masse aufgetragen wird. Gegebenenfalls kann diese nochmals volumenreduzierend (insbesondere fräsend) bearbeitet werden, so dass man sich in gewisser Weise iterativ der endgültigen Form annähert.
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Da das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Erzeugung von relativ großen Körpern vorgesehen ist, werden vorzugsweise auch relativ große Bausteine mit Volumen von mehr als einem Liter verwendet. Eine Verwendung von deutlich größeren Bausteinen ist häufig möglich.
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Zur Materialeinsparung und um zu erreichen, dass der fertige Körper nicht zu schwer ist, bestehen die Bausteine vorzugsweise aus einem geschäumten Material. Je nach Einsatzzweck kann dieses Material ein geschäumter Kunststoff, aber auch ein geschäumtes mineralisches Material oder ein geschäumtes Metall, wie insbesondere Aluminium, sein. Für manche Anwendungsfälle kann auch geschäumter oder ungeschäumter Gips ein geeignetes Material sein.
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Zur weiteren Material- und Gewichtseinsparung kann der Rohkörper - und somit auch der fertige Körper - vollständig ummauerte Hohlräume aufweisen.
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Um sich der zu erzeugenden Form relativ nahe annähern zu können ohne zu viele Bausteine zu benötigen, ist es bevorzugt, mehrere Arten zueinander kompatibler Bausteine zu verwenden. In einer Ausführungsform werden die Anzahl und die Anordnung der Bausteine aus einem CAD-Datensatz von einem Computer errechnet. Mit dieser Information kann entweder ein Montageroboter angesteuert werden oder es kann ein für einen Menschen lesbarer Bauplan erzeugt werden. Die Bearbeitung des Rohkörpers zum endgültigen Körper erfolgt in beiden Fällen vorzugsweise vollautomatisch mittels eines oder mehrerer Roboter.
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Die verwendeten Bausteine sind vorgefertigt und in der Regel benötigt man nur eine geringe Anzahl unterschiedlicher Bausteine, was das Verfahren sehr rationell macht. Das heißt, man kann standardisierte Bausteine und somit eine Art Baukasten verwenden. Dies macht das erfindungsgemäße Verfahren sehr rationell.
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Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus den nun mit Bezug auf die Figuren näher dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 bis 5 verschiedene zueinander kompatible Klemmbausteine, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können,
- 6 eine erste Lage Klemmbausteine, welche zum Aufbau eines Rohkörpers auf einem Träger angeordnet sind,
- 7 das in 6 Gezeigte in einer Draufsicht aus Richtung R3 in 6,
- 8 das in 7 Gezeigte, nachdem nahezu eine komplette zweite Lage Klemmbausteine auf der ersten Lage angeordnet wurde, sowie in schematischer Darstellung einen einen Greifer tragenden Roboter, wobei der Greifer einen Klemmbaustein hält,
- 9 den Roboter mit Greifer und Klemmbaustein aus 8 in einer Draufsicht aus Richtung R4 in 8 sowie eine mit Klebstoff befüllte Wanne,
- 10 eine Draufsicht auf das in 8 Gezeigte aus Richtung R4, nachdem die zweite Lage Klemmbausteine vervollständigt wurde,
- 11 einen aus den Klemmbausteinen gefertigten Rohkörper in einer seitlichen Ansicht, entsprechend den 7 und 8, sowie einen von einem Roboter getragenen ersten Fräser,
- 12 den Rohkörper aus 11, nachdem dieser zumindest bereichsweise überfräst wurde, so dass ein bearbeiteter Rohkörper entstanden ist,
- 13 den bearbeiteten Rohkörper aus 12 sowie einen von einem Roboter getragenen Auftragskopf für eine aushärtende Masse und etwas von der schon aufgetragenen ausgehärteten Masse,
- 14 das in 13 Gezeigte, nachdem der Auftrag der aushärtenden Masse abgeschlossen ist,
- 15 das in 14 Gezeigte sowie einen von einem Roboter getragenen zweiten Fräser, welcher einen Teil der inzwischen ausgehärteten Masse wieder abträgt, um so die endgültige Kontur des Körpers herzustellen,
- 16 das in 15 Gezeigte nach Abschluss dieses zweiten Fräsvorgangs,
- 17 das in 16 Gezeigte sowie einen von einem Roboter getragenen Auftragskopf für eine Schutzschicht,
- 18 den nun fertigen Körper,
- 19 einen Körper, dessen Außenkontur der des Körpers der 18 entspricht, jedoch wenigstens einen Hohlraum zur Materialeinsparung und Gewichtsreduzierung aufweist, im Querschnitt und
- 20 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer schematischen Gesamtdarstellung der Herstellung des Körpers.
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Im Folgenden werden zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Herstellungsverfahrens beschrieben, wobei nur das zweite erfindungsgemäß ist. Das erste beschriebene Ausführungsbeispiel des Verfahrenes eignet sich insbesondere zur Herstellung von Körpern mit einer Länge von bis zu wenigen Metern, während sich das zweite - also das erfindungsgemäße - Ausführungsbeispiel des Verfahrenes insbesondere zur Herstellung von sehr langen Körpern, wie beispielsweise 1:1-Model!en von Schiffsrümpfen oder Rotorblättern für Windkraftanlagen, eignet. Wie man später sehen wird, zeigen sich insbesondere beim zweiten Ausführungsbeispiel alle Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, während das erste Ausführungsbeispiel den Vorteil hat, dass es nur einen relativ geringen apparativen Aufwand erfordert.
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Wie dies bereits erwähnt wurde, besteht ein Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, einen Rohkörper aus standardisierten, vorgefertigten Bausteinen zu fertigen, welcher dann bis zum endgültigen Körper weiterverarbeitet wird. Benachbarte Bausteine müssen in der Regel stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere miteinander verklebt, werden. Dennoch ist es häufig zu bevorzugen, die Bausteine so auszugestalten, dass eine gewisse Vorfixierung vorliegt, bevor ein entsprechender Klebstoff abbindet. Es ist deshalb bevorzugt (und deshalb in den Ausführungsbeispielen auch stets so dargestellt), die Bausteine in Form von Klemmbausteinen auszugestalten. Um die Form des Rohkörpers der zu erzielenden Form des herzustellenden Körpers gut annähern zu können, ist es in der Regel bevorzugt, mehrere unterschiedliche, zueinander kompatible Bausteine, insbesondere mehrere zueinander kompatible Klemmbausteine, vorzusehen.
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Da sich das Verfahren insbesondere zur Erzeugung relativ großer Körper eignet, haben diese Bausteine/ Klemmbausteine vorzugsweise Volumen zwischen einem und 200 Litern. Insbesondere bei solch relativ großvolumigen Bausteinen ist es bevorzugt, diese aus einem relativ leichten Material, wie beispielsweise einem geschäumten Kunststoffmaterial, herzustellen. In manchen Ausführungsformen können auch andere geschäumte Materialien, insbesondere temperaturbeständige geschäumte Materialien bevorzugt sein. Hierbei können prinzipiell alle aufschäumbaren mineralischen oder metallischen Materialien, insbesondere aufgeschäumter Gips, aufgeschäumter Beton (sogenannter „Blähbeton“) oder aufgeschäumtes Aluminium, verwendet werden. Ein Vorteil bei der Verwendung eines temperaturbeständigen Materials besteht darin, dass der bearbeitete Rohkörper autoklavierbar ist und dass auch Beschichtungsmethoden verwendet werden können, bei denen hohe Temperaturen auftreten, wie beispielsweise Sputtern oder Plasmabeschichten.
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Der sprachlichen Einfachheit halber wird im Weiteren für „Baustein“ ausschließlich der Begriff „Klemmbaustein“ verwendet; dennoch ist festzuhalten, dass die im folgenden beschriebenen Verfahren grundsätzlich auch mit nichtklemmenden Bausteinen durchgeführt werden könnten, auch wenn dies aus praktischen Gründen in der Regel nicht bevorzugt ist.
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Die 1 bis 5 zeigen beispielhaft vier Klemmbausteine 5 unterschiedlicher Größen, welche im Wesentlichen beliebig miteinander verbaut werden können. Diese Klemmbausteine 5 können beispielsweise aufgebaut sein wie übliche Klemmbausteine, nur mit deutlich größerem Volumen. Die Funktion solcher Klemmbausteine, welche auf einer Stirnseite Noppen 6, einen umlaufenden Rand 7 und entgegengesetzt der Noppen 6 wenigstens eine innere Ausstülpung 8 aufweisen (s. hierzu insbesondere 3 bis 3a, welche unterschiedliche Ansichten zeigen), muss hier nicht weiter erläutert werden, da die Funktion im wahrsten Sinne des Wortes jedem Kind geläufig ist.
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Es folgt nun die detaillierte Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels:
- Zunächst wird aus den Klemmbausteinen 5 ein Rohkörper RK aufgebaut, wie dies in den 6 bis 11 angedeutet ist. Dieser Rohkörper RK weist schon im Wesentlichen die Kontur des endgültigen Körpers auf. In der Regel ist es günstig, diesen Röhkörper auf einem Träger 78 aufzubauen. Zur genauen Positionierung einer ersten Lage Klemmbausteine weist dieser Träger auf seiner nach oben weisenden Oberfläche vorzugsweise Noppen 6 auf; diese sind in den Figuren jedoch nicht zu sehen.
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Der Zusammenbau des Rohkörpers RK könnte grundsätzlich manuell geschehen, insbesondere ist jedoch vorgesehen, dass dies mittels eines Roboters 20 erfolgt, welcher einen Greifer trägt (siehe hierzu 8 und 9). In einem vorausgehenden Schritt wird der Körper, den man erzeugen möchte, in einem CAD-Programm konstruiert und ausgehend von diesem CAD-Programm errechnet ein Programm einen Bauplan für den Rohkörper RK, welchen der mit dem Greifer 31 ausgestattete Roboter dann abarbeiten kann. Natürlich wäre es ebenso möglich, diesen Bauplan in lesbarer Form auszudrucken und den Zusammenbau einem Menschen zu überlassen.
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Da es in der Regel bevorzugt ist, dass benachbarte Klemmbausteine 5 zumindest bereichsweise miteinander verklebt sind, muss vor dem Aufsetzen eines Klemmbausteines auf den sich bindenden Rohkörper Klebstoff entweder auf den sich im Aufbau befindenden Rohkörper oder auf den neu hinzuzufügenden Klemmbaustein 5 aufgetragen werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird von zweiter Möglichkeit Gebrauch gemacht, wie dies in 8 angedeutet ist.
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Dies bedeutet, dass der neu hinzuzufügende Klemmbaustein 5 kurz vor dem Hinzufügen teilweise in ein Klebstoffbad eingetaucht wird. Hierzu dient eine mit Klebstoff 12 befüllte Wanne 10. Andere Varianten, wie ein Aufsprühen von Klebstoff oder dergleichen, sind natürlich auch möglich.
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Die 11 zeigt eine seitliche Draufsicht auf den fertigen Rohkörper RK, Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist dieser eine Rinne auf. Im nächsten Arbeitsschritt wird dieser Rohkörper RK zumindest abschnittsweise überfräst, also volumenreduzierend bearbeitet, um sich so einen weiteren Schritt der endgültigen Form des zu erzeugenden Körpers anzunähern. Hierzu dient ein erster Fräser 42, welcher in der Regel CNC-gesteuert ist. Der Fräser wird deshalb von einem Roboter 20 getragen; dies könnte grundsätzlich der gleiche Roboter 20 sein, welcher den Greifer 31 getragen hat, es könnte sich natürlich aber auch um einen anderen Roboter handeln.
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Die 12 zeigt den durch Fräsen bearbeiteten Rohkörper RK'. Die für den hier zu erzeugenden Körper charakteristische Rinne hat hier nahezu ihre Endform erhalten.
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Im nächsten Schritt, wie er in 13 dargestellt ist, wird auf zumindest ein Teil der durch das Oberfräsen erzeugten Fläche - in der Regel auf die gesamte Fläche - eine aushärtende Masse 90 aufgetragen. Auch dies geschieht vorzugsweise automatisch mit Hilfe eines Roboters 20, welcher in diesem Fall einen Auftragskopf für diese aushärtende Masse trägt. 14 zeigt das in 13 Gezeigte, nachdem das Auftragen der aushärtbaren Masse abgeschlossen ist.
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Um die endgültige Kontur zu erzeugen, wird die nun ausgehärtete Masse 92 nochmals überfräst, wozu ein zweiter Fräser 64 dient. Grundsätzlich könnte es sich beim zweiten Fräser 64 auch um denselben Fräser handeln, welcher zum Bearbeiten des Rohkörpers RK dient, dies ist jedoch aus folgenden Gründen in der Regel nicht bevorzugt Zum einen wird beim ersten Fräsvorgang in der Regel ein größeres Volumen weggefräst und zum anderen ist die ausgehärtete Masse in der Regel härter als die Klemmbausteine. Auch dieser Schritt erfolgt vorzugsweise CNC-gesteuert und der zweite Fräser 64 wird von einem Roboter 20 getragen. Die 16 zeigt das in 15 Gezeigte nach Abschluss dieses weiteren Fräsprozesses.
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Wie in 17 gezeigt, kann nun noch die relevante Oberfläche mit einer Schutzschicht 95 besprüht werden. Hierzu dient ein Auftragskopf 75. 18 zeigt den nun fertigen Körper. Alternative Verfahren zum Auftragen der Schutzschicht sind beispielsweise Laserauftragsschweißen, Sputtern und galvanisches oder chemisches Auftragen oder Abscheiden.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist für die Verwendung des Körpers nur die Oberfläche der Rinne interessant, beispielsweise, weil sie als Tiefzieh- oder Laminierform dient. Deshalb kann ein Teil der Oberfläche des Rohkörpers RK unbearbeitet bleiben. In vielen Fällen wird es jedoch so sein, dass - gegebenenfalls bis auf die auf dem Träger 78 aufliegende Fläche des Rohkörpers RK - dessen gesamte Oberfläche bearbeitet wird. Dies ändert am Grundprinzip der Vorgehensweise natürlich nichts.
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Um Material und Gewicht zu sparen, kann der Rohkörper RK auch „ummauerte“ Hohlräume H aufweisen, wie dies in der schematischen Querschnittsdarstellung der 19 dargestellt ist. Um einen solchen Hohlraum H oben abzuschließen, kann insbesondere ein relativ großflächiger Klemmbaustein, wie er in 5 dargestellt ist, verwendet werden.
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In 20 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Die grundsätzliche Vorgehensweise ist wie oben beschrieben wobei jedoch jeder Arbeitsschritt einen separaten Roboter benötigt. Demnach sind horizontal hintereinander fünf Arbeitsstationen vorgesehen, nämlich die erste, welche einen den Greifer 31 tragenden ersten Roboter 30, die zweite, welche einen den ersten Fräser 42 tragenden zweiten Roboter 40, die dritte, welche einen den Auftragskopf 53 für die aushärtende Masse 90 tragenden dritten Roboter 50, die vierte, welche einen den zweiten Fräser 64 tragenden vierten Roboter 60 und die fünfte, welche einen den Auftragskopf 75 für die Schutzschicht 95 tragenden fünften Roboter 70 aufweist. Der aus den Bausteinen zusammengesetzte Rohkörper RK wird auf einem horizontal beweglichen Träger 80 an diesen Arbeitsstationen (s. Pfeil in 18) vorbeigefahren, so dass mehrere Arbeitsschritte gleichzeitig erfolgen können. Besonders zu beachten ist hier, dass eine Weiterbearbeitung bereits erfolgen kann, während an einem Ende der Rohkörper RK erst im Entstehen ist. Hierdurch kann eine Anlage geschaffen werden, bei der die notwendigen Arbeitsstationen (hier fünf Stück) relativ nahe beieinander sind, so dass hier nur ein Platzbedarf von wenigen Metern entsteht, wobei trotzdem im Prinzip beliebig lange Körper hergestellt werden können. Man kann deshalb in diesem Zusammenhang von einem horizontalen Prototyping sprechen.
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Klemmbaustein
- 6
- Noppe
- 7
- umlaufender Rand
- 8
- innere Ausstülpung
- 10
- Wanne
- 12
- Klebstoff
- 20
- Roboter
- 30
- erster Roboter
- 31
- Greifzange
- 40
- zweiter Roboter
- 42
- erster Fräser
- 50
- dritter Roboter
- 53
- Auftragskopf für aushärtende Masse
- 60
- vierter Roboter
- 64
- zweiter Fräser
- 70
- fünfter Roboter
- 75
- Auftragskopf für Schutzschicht
- 78
- Träger
- 80
- horizontal verfahrbarer Träger
- 90
- aushärtende Masse
- 92
- ausgehärtete Masse
- 95
- Schutzschicht
- RK
- Rohkörper
- RK'
- bearbeiteter Rohkörper
