DE102019134811A1

DE102019134811A1 - Anlage zur additiven Fertigung

Info

Publication number: DE102019134811A1
Application number: DE102019134811.0A
Authority: DE
Inventors: Géza Koscsák; Till Oeschger; Axel Boi
Original assignee: Chiron Group SE
Current assignee: Chiron Group SE
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-17
Also published as: EP4076805A1; WO2021122952A1

Abstract

Die Offenbarung bezieht sich auf eine Anlage zur additiven Fertigung, insbesondere mittels Direct Energy Deposition, mit einer Handhabungseinrichtung (36, 136) mit einer Aufnahme (82) zur Aufnahme eines Auftragskopfes (40, 42, 44), einem Werkstückträger (72, 172), der einem Arbeitsraum (32) zugeordnet ist, der für einen an der Handhabungseinrichtung (36, 136) aufgenommenen Auftragskopf (40, 42, 44) erreichbar ist, zumindest einem Auftragskopf (40, 42, 44), der zur Materialbereitstellung sowie zur Bereitstellung von Energie zum Schmelzen des Materials ausgebildet ist, wobei der Auftragskopf (40, 42, 44) an der Aufnahme (82) der Handhabungseinrichtung (36, 136) aufnehmbar ist, zumindest zwei Parkpositionen (48, 50) für Auftragsköpfe (40, 42, 44) innerhalb des Bewegungsraums der Handhabungseinrichtung (36, 136), wobei der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) ein Koppelstück (84) zur Ankopplung an die Aufnahme (82) aufweist, und wobei der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) sowohl in einer Arbeitsposition, in der der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) an der Handhabungseinrichtung (36, 136) aufgenommen ist, als auch in der Parkposition (48, 50) mit zumindest einer Versorgungsleitung (62, 64, 66) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Anlage zur additiven Fertigung. Zumindest in beispielhaften Gestaltungen bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf Vorrichtungen zur additiven Fertigung mittels Direct Energy Deposition.
Derartige Anlagen und Vorrichtungen umfassen beispielsweise eine Handhabungseinrichtung mit einem Auftragskopf, und einen Werkstückträger, wobei die Handhabungseinrichtung den Auftragskopf relativ zum Werkstückträger bewegen kann, um dort Material aufzutragen.
Vorrichtungen zur additiven Fertigung können für verschiedene Anwendungsfälle genutzt werden. Dies umfasst beispielsweise eine vollständige Herstellung von Bauteilen (vollständig mittels additiver Fertigung), eine ergänzende Herstellung von Bauteilen (additive Fertigung zusätzlich zu konventioneller Fertigung bei einem Bauteil), und/oder eine Nutzung zu Reparaturzwecken (Gebrauchtteil wird mittels additiver Fertigung ertüchtigt) verwendet werden. Eine weitere Anwendung für Vorrichtungen der additiven Fertigung ist die Beschichtung von Werkstücken. Auf diese Weise können Werkstücke mit gewünschten Oberflächen und Eigenschaften erzeugt werden, indem auf ein vorhandenes Halbzeug eine Schicht aufgetragen wird. Es ist vorstellbar, Außenflächen eines Werkstücks zu beschichten. Ferner ist es auch vorstellbar, Innenflächen, also nach innen gewandte Flächen, zu beschichten.
Die additive Fertigung findet mittlerweile weite Verbreitung, gerade auch im industriellen Umfeld. Insbesondere die Verarbeitung von Metallwerkstoffen eröffnet neue Anwendungsfelder.
Unter dem Begriff Direct Energy Deposition (DED) lassen sich verschiedene Verfahren zur additiven Fertigung zusammenfassen, die darauf beruhen, dass mittels einer fokussierten Energiequelle, insbesondere mittels energiereicher Strahlung, Material aufgeschmolzen und aufgetragen wird.
Ein beispielhafter Vertreter von DED Technologien ist das Laserauftragsschweißen (LMD - Laser Metal Deposition). Der Energieeintrag erfolgt mit einem Laser. Auf der Bauteiloberfläche erzeugt der Laser ein Schmelzbad. Durch eine Düse wird automatisiert Metallpulver eingebracht. Das Pulver schmilzt auf und verbindet sich mit dem Grundwerkstoff. Es entstehen miteinander verschweißte Raupen, die Strukturen an bestehenden Grundkörpern oder ganzen Bauteilen ergeben. Bei Bedarf können viele Schichten übereinander aufgebaut werden. Als Schutzgas wird dabei beispielsweise Argon eingesetzt. Es sind jedoch auch DED Verfahren bekannt, die statt Metallpulver Metalldrähte verarbeiten.
Durch DED Verfahren lassen sich 3D-Strukturen auch auf unebenen Flächen erzeugen. Damit eignet sich das Verfahren auch für Reparaturen sowie für Geometrieänderungen. Es können verschiedene Werkstoffe verwendet werden, so dass sich auch Bauteile mit inhomogener Werkstoffstruktur erzeugen lassen. DED Verfahren haben relativ hohe Auftragsraten, im Vergleich zu anderen Verfahren zur additiven Fertigung.
Aus der DE 10 2015 218 032 A1 ist eine Werkzeugmaschine bekannt, die ein Gehäuse und eine an dem Gehäuse angeordnete Bearbeitungskopfaufnahme aufweist, die dazu eingerichtet ist, wahlweise einen ersten Bearbeitungskopf zum Auftragen von Material auf ein Werkstück oder einen zweiten Bearbeitungskopf zur spanenden Werkstückbearbeitung auswechselbar aufzunehmen.
Aus der EP 1 652 614 A1 ist eine Halterung für einen Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsmaschine bekannt, wobei die Halterung einen Träger umfasst, der Kupplungen zum Anschluss von Signalleitungen, Energieleitungen, Kühlwasserleitungen oder dergleichen aufweist, und wobei eine Kollisionsschutzeinrichtung zum Lösen der Halterung bei einer Kollision des Bearbeitungskopfes vorgesehen ist. Mit anderen Worten beschreibt die EP 1 652 614 A1 eine Schnittstelle für einen Bearbeitungskopf, wobei die Schnittstelle zum einen eine mechanische Ankopplung und zum anderen eine Ankopplung von Versorgungsleitungen bereitstellt.
Anlagen zur additiven Fertigung im industriellen Umfeld sind kostenintensiv. Dies trifft beispielsweise auf Anlagen zu, die mittels additiver Verfahren Metallbauteile erzeugen können. Zur Erzeugung metallischer Bauteile ist es regelmäßig erforderlich, dass Baumaterial zumindest partiell anzuschmelzen oder gar vollständig aufzuschmelzen, damit ein hinreichend dichter Verbund geschaffen wird.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur additiven Fertigung anzugeben, die flexibel einsetzbar ist und vorzugsweise den Rüstaufwand verringert. Vorzugsweise ist eine solche Anlage bzw. eine entsprechende Vorrichtung noch besser für die automatisierte Fertigung geeignet. Ferner soll die Anlage vorzugsweise auch hinsichtlich Wartungsaufwand und Reinigungsaufwand optimiert werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird die Aufgabe durch eine Anlage zur additiven Fertigung, insbesondere mittels Direct Energy Deposition, gelöst, wobei die Anlage Folgendes aufweist:

- eine Handhabungseinrichtung mit einer Aufnahme zur Aufnahme eines Auftragskopfes,
- einen Werkstückträger, der einem Arbeitsraum zugeordnet ist, der für einen an der Handhabungseinrichtung aufgenommenen Auftragskopf erreichbar ist,
- zumindest einen Auftragskopf, der zur Materialbereitstellung sowie zur Bereitstellung von Energie zum Schmelzen des Materials ausgebildet ist, wobei der Auftragskopf an der Aufnahme der Handhabungseinrichtung aufnehmbar ist,
- zumindest zwei Parkpositionen für Auftragsköpfe innerhalb des Bewegungsraums der Handhabungseinrichtung,

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Erfindungsgemäß wird nämlich der Wechsel zwischen verschiedenen Auftragsköpfen bzw. die Aufnahme und Abgabe eines Auftragskopfes im Wesentlichen über eine mechanische Schnittstelle bewerkstelligt.
Die Handhabungseinrichtung weist als Schnittstelle eine Aufnahme zur Aufnahme des Auftragskopfes auf. Der Auftragskopf ist unabhängig davon, ob er sich in einer Arbeitsposition (an der Handhabungseinrichtung aufgenommen) oder einer Parkposition (Trennung von der Handhabungseinrichtung möglich) über die zumindest eine Versorgungsleitung permanent mit entsprechenden Versorgungseinrichtungen (z.B. Lichtquelle, Laserquelle, Materialquelle, Energiequelle, Steuereinrichtung, etc.) verbunden.
Dies heißt mit anderen Worten, dass hinsichtlich der zumindest einen Versorgungsleitung beim Wechsel zwischen der Arbeitsposition und der Parkposition keine Trennung erfolgen muss.
Stattdessen erfolgt die Trennung an einer im Wesentlichen mechanischen Schnittstelle. Der Begriff „mechanische Schnittstelle“ ist nicht einschränkend zu verstehen. Auch eine Schnittstelle zur Kupplung zwischen der Handhabungseinrichtung und dem Bearbeitungskopf kann Signale und gegebenenfalls auch Energie übertragen. Hierbei kann es sich insbesondere um Sensoren, Aktuatoren und ähnliche Elemente handeln, die die mechanische Kopplung zwischen Bearbeitungskopf und Handhabungseinrichtung überwachen/herbeiführen.
Eine Anlage zur additiven Fertigung mittels DED nutzt fokussierte Energiequellen, wie beispielsweise einen Laser- oder Elektronenstrahl. Auf diese Weise kann das Baumaterial, insbesondere metallisches Baumaterial, geschmolzen werden. Auch die schon vorhandene Bauteiloberfläche wird zumindest lokal erweicht/angeschmolzen, damit sich die alte mit der neuen Schicht verbinden kann. Es entsteht ein hochfestes Bauteil. Die Anlage ist insbesondere zur Verarbeitung von Metallwerkstoffen ausgestaltet. Das Baumaterial wird beispielsweise als Pulver oder als Draht bereitgestellt. Denkbare Anwendungen beziehen sich einerseits auf den Neuaufbau von Bauteilen und andererseits auf Reparaturen/Modifikationen.
Ein Vorteil der vorgenannten Gestaltung besteht darin, dass nur eine (einzige) Handhabungseinrichtung für den Auftrag, also den eigentlichen Materialaufbau, aber auch für den Kopfwechsel benötigt wird. Mit anderen Worten ist keine separate Handhabungsvorrichtung oder Transfervorrichtung für den Kopfwechsel nötig. Gleichwohl können Auftragsköpfe automatisiert gewechselt werden.
Es versteht sich, dass auch Ausführungsformen vorstellbar sind, bei denen für den Kopfwechsel zusätzliche Achsen genutzt werden, die nicht aktiv an der eigentlichen additiven Fertigung beteiligt sind.
Mehrere Auftragsköpfe können schnell getauscht werden. Dadurch lässt sich die Anlage flexibler einsetzen. Die zumindest eine Versorgungsleitung ist permanent mit dem Bearbeitungskopf verbunden. Es muss für die zumindest eine Versorgungsleitung keine Schnittstelle/Kupplung geöffnet und geschlossen werden. Dies ist insbesondere bei sensiblen Versorgungsleitungen (Lichtleiter, Schutzgas, Materialzuführung, etc.) von Vorteil.
Die zumindest zwei Parkpositionen sind in einer beispielhaften Ausgestaltung innerhalb des Gehäuses der Anlage vorgesehen. Auf diese Weise findet der Wechsel im Arbeitsraum statt. Auftragsköpfe müssen nicht durch Schleusen und Ähnliches hindurchgeführt werden. Die Parkpositionen können strukturell durch Parkstationen gebildet sein.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung sind zumindest zwei Auftragsköpfe vorgesehen, von denen zumindest einer in einer Parkposition angeordnet ist. Eine beispielhafte Konfiguration mit zwei Auftragsköpfen umfasst einen ersten Auftragskopf, der pulverförmiges Baumaterial nutzt, und einen zweiten Auftragskopf, der Drahtmaterial als Baumaterial nutzt. Eine andere beispielhafte Konfiguration mit zwei Auftragsköpfen umfasst einen ersten und einen zweiten Auftragskopf, die jeweils pulverförmiges Baumaterial verarbeiten, wobei es sich um unterschiedliche Materialien handelt. Auf diese Weise können einerseits Bauteile aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Umgekehrt ist es möglich, verschiedenartige Bauteile aus verschiedenen Materialien zu fertigen, wobei sich der um Rüstaufwand in Grenzen hält.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung sind zumindest drei Parkpositionen vorgesehen. Auf diese Weise können drei oder mehr Auftragsköpfe vorgehalten werden. Somit kann eine Mehrzahl an Auftragsköpfen vorgesehen sein, welche innerhalb der Anlage nutzbar sind. Zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen kann während eines Bauprozesses zwischen zumindest zwei Auftragsköpfen gewechselt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung erzeugen die Aufnahme und das Koppelstück eine mechanische Kupplung zwischen der Handhabungseinrichtung und dem zumindest einen Auftragskopf zur Bewegungsmitnahme des Auftragskopfes durch die Handhabungseinrichtung. Auf diese Weise trägt die Handhabungsvorrichtung den Auftragskopf beim Kopfwechsel, aber auch während des Materialauftrags.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Prozessenergieversorgung ausgebildet. Beispielhaft handelt es sich um einen Lichtleiter zur Versorgung mit energiereicher Strahlung. Dies ist in einer beispielhaften Ausgestaltung ein Lichtleiter für Laserlicht.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Materialversorgung ausgebildet, insbesondere zur Versorgung mit Pulvermaterial oder Drahtmaterial. Es versteht sich, dass mehrere Versorgungsleitungen für den zumindest einen Bearbeitungskopf vorgesehen sein können, von denen eine zur Materialversorgung und eine andere zur Prozessenergieversorgung (z.B. Lichtleiter) dient.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Fluidversorgung ausgebildet. Es kann sich beispielsweise um eine Versorgungsleitung zur Versorgung mit einem Kühlmittel, einem Prozessgas und/oder einem Schutzgas handeln.
In beispielhaften Ausgestaltungen sind mehrere Versorgungsleitungen vorgesehen, die mit dem Auftragskopf gekoppelt sind. Mehrere Versorgungsleitungen können ein Leitungsbündel bilden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Versorgung mit Energie, insbesondere elektrische Energie, ausgebildet. In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zum Datenaustausch ausgebildet.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Energieversorgung ausgebildet, insbesondere zur Versorgung von Aktuatoren und/oder Antrieben am Auftragskopf. Damit wird berücksichtigt, dass Auftragsköpfe durchaus eigene Antriebe aufweisen können. Beispielsweise umfasst dies einen Fokussierantrieb für die Optik, einen Antrieb für den Materialvorschub, insbesondere Drahtvorschub, und andere Anwendungen. Die Energieversorgung kann auch für Steuereinrichtungen und/oder Sensorik genutzt werden, die beim Bearbeitungskopf vorgesehen ist. Die zumindest eine Versorgungsleitung kann diverse Aufgaben und Funktionen abdecken.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung zur Datenübertragung ausgebildet, insbesondere zur bidirektionalen Datenübertragung. Auf diese Weise wird der Informationsfluss zum und vom Auftragskopf sichergestellt. Sensoren, Aktoren und/oder Aktuatoren, die am oder im Auftragskopf ausgebildet sind, können am Datenaustausch beteiligt sein.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der zumindest eine Auftragskopf sowohl in der Arbeitsposition als auch in der Parkposition mit mehreren Versorgungsleitungen verbunden. Ein Wechsel zwischen der Parkposition und der Arbeitsposition erfordert also nicht die Trennung und erneute Verbindung (Ankopplung und Abkopplung) zwischen Auftragskopf und den Versorgungsleitungen. Die zwei oder mehr Versorgungsleitungen bilden ein Leitungsbündel, das idealerweise permanent mit dem Auftragskopf verbunden ist. Es versteht sich, dass die zwei oder mehr Versorgungsleitungen vom gleichen Typ oder unterschiedlich gestaltet sein können. Dies betrifft auch die Funktion der Versorgungsleitung (Prozessenergieversorgung, Materialversorgung, Fluidversorgung, Energieversorgung, Datenübertragung, etc.).
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung sind die zumindest zwei Parkpositionen an einer Gehäusewand oder mehreren Gehäusewänden angeordnet. Dies betrifft in beispielhaften Ausführungsformen Innenwände des Gehäuses. Somit befinden sich die Parkpositionen innerhalb des Gehäuses der Anlage.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung sind die zumindest zwei Parkpositionen in zumindest zwei Vertikalpositionen angeordnet. Auf diese Weise vereinfacht sich der Wechsel der Auftragsköpfe. Die Handhabungseinrichtung kann die Auftragsköpfe in ihrer Parkposition auf unterschiedlichen Höhenniveaus anfahren. Ferner können Kollisionen oder gar Verdrillungen/Verknotungen der Versorgungsleitungen vermieden werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung befinden sich die zumindest zwei Parkpositionen an zueinander geneigten Wänden innerhalb des Gehäuses der Anlage. Beispielhaft handelt es sich um einander benachbarte vertikale Wände, welche 90° zueinander geneigt sind. Auch auf diese Weise vereinfacht sich der Wechsel zwischen verschiedenen Auftragsköpfen, da die Gefahr von Kollisionen der Auftragsköpfe, aber auch von Versorgungsleitungen der Auftragsköpfe, sinkt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die zumindest eine Versorgungsleitung in einer Schleppkette aufgenommen. Dies betrifft in beispielhaften Ausführungsformen zwei oder mehr Versorgungsleitungen, welche dann beispielsweise als Leitungsbündel bezeichnet werden können. Die Schleppkette schützt die Versorgungsleitungen beim Betrieb der Anlage und stellt sicher, dass die Versorgungsleitungen in der gewünschten Weise bewegt werden können, insbesondere beim Wechsel des Auftragskopfes zwischen der Parkposition und der Arbeitsposition.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die Schleppkette als räumlich bewegliche Schleppkette gestaltet ist, insbesondere als sogenannte 3D-Schleppkette. Damit wird gewährleistet, dass die zumindest eine Versorgungsleitung der Bewegung der Handhabungseinrichtung folgen kann, wenn der Auftragskopf an dieser aufgenommen ist. Insgesamt ergeben sich viele Freiheitsgrade für die Bewegung des Auftragskopfes.
Schleppketten als solches sind auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik bekannt. Bei Anlagen und Maschinen, bei denen linear verfahrbare Einheiten (Linearschlitten, Kreuzschlitten, etc.) vorgesehen sind, werden häufig Schleppketten verwendet, welche gewisse Bewegungsfreiheitsgrade sperren.
Es sind jedoch auch Schleppketten bekannt, welche grundsätzlich frei im Raum bewegt werden können, wobei es natürlich Grenzen und Anschläge geben kann. Eine solche räumlich bewegbare Schleppkette stellt einerseits für den Wechsel des Auftragskopfes zwischen Parkposition und Arbeitsposition und andererseits für die Bewegung des Auftragskopfes beim eigentlichen Auftrag eine hohe Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden bereit.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist ein Gewichtsausgleichsmechanismus für zumindest eine Schleppkette vorgesehen. Hierfür ist beispielsweise ein sogenannter Balancer nutzbar. Der Gewichtsausgleichsmechanismus trägt dazu bei, dass die Auftragsköpfe mit ihren Verbindungsleitungen zwischen der Parkposition und der Arbeitsposition bewegt werden können. Insbesondere dann, wenn zwei oder mehr Auftragsköpfe vorgesehen sind, trägt der Gewichtsausgleichsmechanismus durch eine entsprechende Positionierung dazu bei, Verdrillungen/Verknotungen zu vermeiden.
Im Betrieb, also während der additiven Fertigung, trägt der Gewichtsausgleichsmechanismus dazu bei, dass sie von der Handhabungseinrichtung zu bewegende Last (Auftragskopf sowie zumindest einen Teil der Versorgungsleitungen) nicht ruckartig verändert wird.
Ferner ist es vorstellbar, für zwei oder mehr Auftragsköpfe die Gewichtsausgleichsmechanismen derart einzustellen, dass sich deren Versorgungsleitungen grundsätzlich auf unterschiedlichen Höhenniveaus bewegen. Auch diese Maßnahme verringert die Kollisionsgefahr beim Wechsel zwischen zwei Auftragsköpfen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der Werkstückträger beweglich, wobei der Werkstückträger weitere Bewegungsfreiheitsgrade bereitstellt. Auf diese Weise ist es möglich, das Werkstück bzw. dessen Bauplattform in gewünschter Weise relativ zu den Raumachsen bzw. relativ zum Auftragskopf auszurichten. Dies kann bei verschiedenen Verfahren zur additiven Fertigung, insbesondere auch bei DED, von Vorteil sein, bei denen eine bestimmte Ausrichtung des Auftragskopfes relativ zur Vertikalen gewünscht ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der Werkstückträger als Tisch oder Plattform ausgebildet, insbesondere als Werkstückauflage. Es ist vorstellbar, den Werkstückträger beweglich zu gestalten, etwa um eine B-Achse (Rotation um Y) oder eine C-Achse (Rotation um Z) bereitzustellen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung umfasst der Werkstückträger eine Spanneinrichtung, die eine Rotationsachse des Werkstücks definiert. Beispielhaft ist der Werkstückträger als Spanneinrichtung einer Werkstückspindel ausgestaltet. Auf diese Weise kann eine A-Achse für das Werkstück bereitgestellt werden, ähnlich einer Drehmaschine. Dies ist insbesondere bei länglichen, wellenartigen Werkstücken vorstellbar, beispielsweise bei solchen mit zumindest abschnittsweise rotationssymmetrischer Gestaltung.
Beispielhaft kann eine solche Konfiguration für Bauprozesse genutzt werden, bei denen auf einem schon existierenden Werkstück Material aufgebaut wird, beispielsweise zur Beschichtung.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist zumindest einer, vorzugsweise jeder Parkposition eine Haube zugeordnet, die das Koppelstück eines geparkten Auftragskopfes zumindest teilweise abdeckt. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist die Haube in eine Ausweichposition verfahrbar, um das Koppelstück freizugeben. Auf diese Weise kann das Koppelstück des Auftragskopfes vor übermäßigen Verschmutzungen geschützt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung weist die Handhabungseinrichtung eine kartesische Kinematik mit kartesischen Achsen auf. Mit anderen Worten orientiert sich die Handhabungsvorrichtung an einem klassischen X-Y-Z Koordinatensystem und stellt für zumindest einige der Richtungen X-Y-Z lineare Achsen und/oder Drehachsen bereit. Es gibt also für zumindest einige der Bewegungsrichtungen Führungen und Schlitten, die Bewegungen genau entlang der jeweiligen Achse ermöglichen. Dies umfasst Linearbewegungen. Gleichfalls gibt es für zumindest einige der Bewegungsrichtungen Drehantriebe, die Rotationsbewegungen um genau die jeweilige Achse ermöglichen.
Zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen der Offenbarung wird zur Beschreibung von Bewegungen und Bewegungsbahnen auf ein klassisches konventionelles X-Y-Z Koordinatensystem zurückgegriffen. Dies ist nicht einschränkend zu verstehen. Bei klassischen Werkzeugmaschinen (Fräsmaschinen und Ähnliches) bezeichnet die Z-Achse üblicherweise die Vertikale. Die X- und die Y-Achse sind horizontale Achsen, die gemeinsam eine Horizontalebene definieren. Die X-Achse beschreibt üblicherweise eine Querachse. Die Y-Achse beschreibt üblicherweise eine Tiefenachse. Diese Nomenklatur kann zumindest zu Veranschaulichungszwecken auf die Gestaltung von Anlagen zur additiven Fertigung übertragen werden. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird diese Nomenklatur auch zur Beschreibung von Handhabungseinrichtungen verwendet, die nicht zwingend auf einer kartesischen Kinematik aufbauen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung umfasst die Handhabungseinrichtung einen Roboter. Der Roboter ist beispielhaft als Gelenkarmroboter gestaltet. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Roboter als Roboter mit serieller Kinematik ausgebildet.
Die Verwendung eines Roboters als Bestandteil der Handhabungseinrichtung, vorzugsweise als wesentlicher Bestandteil der Handhabungseinrichtung für die Auftragsköpfe, hat den Vorteil, dass die Parkpositionen einzelner Auftragsköpfe innerhalb des gegebenen Bewegungsraums des Roboters gewählt werden können. Somit können die Parkpositionen voneinander beabstandet werden.
Die Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit, die der Roboter bereitstellt, genügt für Zwecke der additiven Fertigung. Mit anderen Worten kann der Roboter für die Feinpositionierung und die Vorschubbewegung des Auftragskopfes genutzt werden.
Es versteht sich, dass die Handhabungsvorrichtung für die Feinpositionierung und die eigentliche Vorschubbewegung während des Auftrages nutzbar ist, wenn eine genügend hohe Genauigkeit gegeben ist. Dies gilt unabhängig von der gewählten Kinematik (kartesische Kinematik, serielle Kinematik, etc.), wenn die Positioniergenauigkeit und die Wiederholgenauigkeit ausreichend sind.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und Erläuterung mehrerer beispielhafter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

1: eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausgestaltung einer Anlage zur additiven Fertigung;
2: eine weitere perspektivische Darstellung der Anordnung gemäß 1, in geänderter Orientierung, wobei das Gehäuse ausgeblendet ist;
3: eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß den 1 und 2;
4: eine perspektivische Ansicht einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung einer Anlage zur additiven Fertigung;
5: eine weitere perspektivische Ansicht der Anordnung gemäß 4, in geänderter Orientierung;
6: eine vergrößerte, teilweise explodierte Teilansicht zur Veranschaulichung einer beispielhaften Ausgestaltung von Schnittstellen des Auftragskopfes;
7: eine perspektivische Ansicht eines Auftragskopfes in einer Parkposition;
8: eine auf 7 basierende Ansicht des Auftragskopfes, mit geänderter Perspektive, wobei der Auftragskopf in einer von der Parkposition beabstandeten Stellung gezeigt ist;
9: eine vereinfachte, schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Auftragskopfes mitsamt den Schnittstellen zu Versorgungsleitungen und zu einer Handhabungseinrichtung in Form eines Roboters; und
10: eine weitere vereinfachte, schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Auftragskopfes mitsamt den Schnittstellen zu Versorgungsleitungen und zu einer Handhabungseinrichtung in Form einer linearen, kartesischen Kinematik.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer insgesamt mit 10 bezeichneten Anlage zur additiven Fertigung. Die 2 und 3 veranschaulichen weitere Ausgestaltungen und Merkmale der Anlage 10. In beispielhaften Ausgestaltungen handelt es sich bei der Anlage 10 um eine DED-Anlage. Eine solche Anlage umfasst beispielsweise eine Laserquelle, mit deren Hilfe Baumaterial auf ein Bauteil aufgetragen wird.
Die Anlage 10 umfasst eine Basis 12, die ein Gehäuse 18 trägt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst das Gehäuse 18 eine Tür 20 und Wände 22, 24, 26, 28. Das Gehäuse 18 definiert einen Arbeitsraum 32. Im Arbeitsraum ist eine zentrale Handhabungseinrichtung 36 angeordnet, welche im Ausführungsbeispiel durch einen Manipulator in Form eines Roboters 38 gebildet ist. Die zentrale Handhabungseinrichtung 36 ist für die Hauptfunktion, den eigentlichen Materialaufbau, nutzbar, aber auch für den Wechsel der Arbeitsköpfe/Auftragsköpfe. Dies wird nachfolgend näher veranschaulicht.
In zumindest einigen der 1 bis 10 ist aus Veranschaulichungsgründen ein kartesisches Koordinatensystem X-Y-Z mit zugehörigen Rotationsachsen A-B-C (2) dargestellt. Die Achsen X und Y sind im Ausführungsbeispiel horizontale Achsen. Die Achse Z ist eine vertikale Achse. Aus Sicht des Bedieners ist die Achse X eine Querachse und die Achse Y eine Tiefenachse. Die Achse A beschreibt Rotationen um die Achse X. Die Achse B beschreibt Rotationen um die Achse Y. Die Achse C beschreibt Rotationen um die Achse Z. Es versteht sich, dass die als Roboter 38 gestaltete Handhabungseinrichtung 36 ein anderes internes Koordinatensystem zur Steuerung des Roboters nutzen kann. Gleichwohl kann das kartesische Koordinatensystem X-Y-Z als Werkstückkoordinatensystem verwendet werden. Der Fachmann kann das Koordinatensystem X-Y-Z bedarfsweise in andere Koordinatensysteme überführen. Das Koordinatensystem X-Y-Z dient vorrangig zu Veranschaulichungszwecken und ist daher nicht einschränkend zu interpretieren.
Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 ist die Anlage 10 dazu ausgebildet, eine Mehrzahl von Auftragsköpfen 40, 42, 44 zu nutzen. Die Auftragsköpfe 40, 42, 44 können sich strukturell und/oder hinsichtlich der genutzten Parameter/Werkstoffe unterscheiden. Beispielhaft ist zumindest einer der Auftragsköpfe 40, 42, 44 zur Verarbeitung von Drahtmaterial und zumindest ein anderer der Auftragsköpfe 40, 42, 44 zur Verarbeitung von Pulvermaterial ausgebildet. Ferner verarbeiten die Auftragsköpfe 40, 42, 44 in anderen Ausführungsbeispielen unterschiedliche Materialien, um das Anwendungsfeld der Anlage 10 zu erweitern. Auch können sich die Auftragsköpfe 40, 42, 44 hinsichtlich der genutzten Optiken, Materialzufuhreinheiten und anderer Elemente unterscheiden. Insgesamt ergibt sich somit für die Anlage 10 eine hohe Flexibilität.
Beispielhaft können sich die Auftragsköpfe 40, 42, 44 bei drahtbasierten Verfahren hinsichtlich Material, Durchmesser des Drahts, Düse und/oder Optik unterscheiden. Beispielhaft können sich die Auftragsköpfe 40, 42, 44 bei pulverbasierten Verfahren hinsichtlich Material, Körnung der Pulverpartikel, Düse und/oder Optik unterscheiden. Dies ist nicht einschränkend zu verstehen.
Es ist auch vorstellbar, dass zumindest einige der Auftragsköpfe 40, 42, 44 strukturell gleich gestaltet sind, aber unterschiedliche Materialien verarbeiten.
Es versteht sich, dass grundsätzlich auch mehrere Auftragsköpfe 40, 42, 44 desselben Typs und mit der gleichen Funktion nutzbar sind. Auf diese Weise erhöht sich die Verfügbarkeit der Anlage 10, da Redundanz gegeben ist, falls einer der Auftragsköpfe 40, 42, 44 repariert oder gewartet werden muss.
Der Auftragskopf 40 ist an der Handhabungseinheit 36 aufgenommen und kann über diese bewegt werden. Der Auftragskopf 40 kann über seine Auftragsspitze 46 (vergleiche auch TCP - Tool Center Point) Material ausgeben und auftragen. Der Auftragskopf 40 befindet sich folglich in einer Arbeitsposition bzw. in einem Arbeitsmodus.
Die Auftragsköpfe 42, 44 befinden sich in einer Parkposition bzw. einem Ruhemodus. In den 2 und 3 sind Parkpositionen 48, 50 für die Auftragsköpfe 42, 44 angedeutet. Die Parkpositionen 48, 50 werden im Ausführungsbeispiel durch geeignete Aufnahmen an den Wänden 22, 24, 26, 28 des Gehäuses 18 bereitgestellt. 1 veranschaulicht, dass im Ausführungsbeispiel der Kopf 42 an der Wand 22 aufgenommen ist, und dass der Kopf 44 an der Wand 24 aufgenommen ist. In der jeweiligen Parkposition 48, 50 ruhen die Auftragsköpfe 40, 42, 44. In 2 ist mit 52 eine Parkstation angedeutet, welche im Ausführungsbeispiel jeweils eine der Parkpositionen 48, 50 für die Auftragsköpfe 40, 42, 44 definiert.
In den hierin gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Anlage 10 nicht dazu ausgestaltet, Material abzutragen. Gleichwohl ist dies nicht einschränkend zu verstehen. Jedoch ist die Anlage 10 in wesentlichen Ausführungsbeispielen mit zumindest zwei Parkpositionen 48, 50 für Auftragsköpfe 40, 42, 44 versehen. Demgemäß sind in wesentlichen Ausführungsbeispielen zwei oder mehr Auftragsköpfe 40, 42, 44 vorgesehen, zwischen denen gewechselt werden kann.
Ein Wechsel zwischen den Auftragsköpfen 40, 42, 44 umfasst eine mechanische Kopplung zwischen dem gewählten Auftragskopf 40, 42, 44 und der Handhabungseinrichtung 36. Ein Hauptaspekt der vorliegenden Offenbarung liegt darin, neben der notwendigen mechanischen Kopplung auf zusätzliche Koppelvorgänge für Versorgungsleitungen nach Möglichkeit zu verzichten.
Daher ist im Ausführungsbeispiel jeder der Auftragsköpfe 40, 42, 44 über eine jeweilige Schleppkette 56, 58, 60 permanent mit Versorgungseinrichtungen (nicht explizit dargestellt) verbunden. Die Schleppketten 56, 58, 60 stellen eine Führung für Versorgungsleitungen 62, 64, 66 bereit. In beispielhaften Ausgestaltungen beherbergen die Schleppketten 56, 58, 60 die Versorgungsleitungen 62, 64, 66, so dass die Versorgungsleitungen 62, 64, 66 durch die Schleppketten 56, 58, 60 geschützt sind. Jede der Schleppketten 56, 58, 60 umfasst eine oder mehrere Versorgungsleitungen 62, 64, 66. Sofern eine Schleppkette 56, 58, 60 mehrere Versorgungsleitungen 62, 64, 66 beherbergt, kann man von einem Leitungsbündel sprechen.
Bei einem Wechsel zwischen den Auftragsköpfen 40, 42, 44 muss die jeweilige Schleppkette 56, 58, 60 nicht abgekoppelt/angekoppelt werden. Da die Schleppketten 56, 58, 60 mit den Versorgungsleitungen 62, 64, 66 permanent mit den Auftragsköpfen 40, 42, 44 verbunden sind, vereinfacht sich der Wechsel zwischen verschiedenen Auftragsköpfen 40, 42, 44 deutlich. Nebenzeiten können minimiert werden. Die Anlage 10 ist hochverfügbar und flexibel einsetzbar. In 3 ist mit 68 eine Schnittstelle zwischen dem Auftragskopf 40 und der Schleppkette 56 mit der zumindest einen Versorgungsleitung 62 angedeutet (vergleiche auch 7).
Die Anlage 10 gemäß den 1 bis 3 weist einen Werkstückträger 72 auf, der im Ausführungsbeispiel als Spindel 76 mit einer Spanneinrichtung 74 für ein Werkstück gestaltet ist. Der Spanneinrichtung 74 ist beispielhaft ein Reitstock 78 zugeordnet. Folglich kann der Werkstückträger 72 ähnlich einer Drehbank betrieben werden, so dass Werkstücke in definierte Drehbewegungen um eine Achse A (Rotation um die X-Achse) versetzt werden können. Die Gestaltung mit dem Werkstückträger 72 bietet sich zur additiven Fertigung/Reparatur/Modifikation wellenförmiger Bauteile an. Ferner kann sich die Anwendung auch auf die Beschichtung wellenförmiger Bauteile beziehen. Eine Beschichtung kann als Außenbeschichtung oder Innenbeschichtung erfolgen.
Zwischen der Handhabungseinrichtung 36 und den Auftragsköpfen 40, 42, 44 ist eine Schnittstelle in Form einer Kupplung 80 vorgesehen, vergleiche 3 und die ergänzenden Darstellungen in den 6 bis 8). Im Gegensatz zur Schnittstelle 68 für die Versorgungsleitungen 62, 64, 66 wird die Schnittstelle/Kupplung 80 beim Wechsel zwischen zwei Auftragsköpfen 40, 42, 44 tatsächlich geöffnet und geschlossen.
Die Kupplung 80 umfasst eine Aufnahme 82 bei der Handhabungseinrichtung 36 und ein Kopplungsstück 84 bei den Auftragsköpfen 40, 42, 44, vergleiche wiederum die 6 bis 8. Mit anderen Worten weist die Handhabungseinrichtung 36 einen Greifer o. ä. auf, um einen der Auftragsköpfe 40, 42, 44 an einer definierten Gegenkontur greifen und halten zu können.
Die 1 bis 3 veranschaulichen ferner einen Gewichtsausgleichsmechanismus 88, der den Wechsel zwischen verschiedenen Auftragsköpfen 40, 42, 44 vereinfacht. Im Ausführungsbeispiel umfasst der Gewichtsausgleichsmechanismus 88 beispielsweise zwei oder mehr sogenannte Balancer 90, 92, welche auch als Gewichtsausgleicher bezeichnet werden können. Die Balancer 90, 92 sind jeweils einer der Schleppketten 56, 58, 60 zugeordnet. Es versteht sich, dass auch drei oder mehr Balancer 90, 92 vorstellbar sind. Der Gewichtsausgleichsmechanismus 88 trägt dazu bei, Kollisionen oder gar Verdrillungen zwischen den Schleppketten 56, 58, 60 und den in diesem aufgenommenen Versorgungsleitungen 62, 64, 66 zu vermeiden. Diese Gestaltung trägt dazu bei, dass die Auftragsköpfe 40, 42, 44 relativ frei zwischen den jeweiligen Parkpositionen 48, 50 und der Handhabungseinrichtung 36 ausgetauscht werden können, zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen. Die Handhabungseinrichtung 36 selbst ist dazu ausgestaltet, die Auftragsköpfe 40, 42, 44 aus den Parkpositionen 48, 50 abzuholen bzw. dort abzulegen. Dies erfordert ein hohes Maß an Bewegungsfreiheit. Der Gewichtsausgleichsmechanismus 88 trägt in diesem Zusammenhang dazu bei, Kollisionen, ein Verhaken und Ähnliches zu minimieren oder zu vermeiden. Einer Schleppkette 56, 58, 60 können auch zwei oder mehr Balancer 90, 92 zugeordnet sein.
In beispielhaften Ausgestaltungen sind die Parkpositionen 48, 50 für die Auftragsköpfe 40, 42, 44 hinreichend weit voneinander beabstandet. Beispielsweise sind die Parkpositionen 48, 50 für die Auftragsköpfe 40, 42, 44 auf verschiedenen Höhenniveaus (Z-Position) des Gehäuses 18 angeordnet. In beispielhaften Ausgestaltungen befinden sich die Parkpositionen 48, 50 an verschiedenen Wänden 22 (Parkposition 48), 24 (Parkposition 50) des Gehäuses 18. Auch dies vereinfacht den Wechsel zwischen verschiedenen Auftragsköpfen 40, 42, 44.
3 veranschaulicht ferner anhand gestrichelter Bereiche eine beispielhafte Ausdehnung des Arbeitsraums 32 sowie eine beispielhafte Ausdehnung eines Bewegungsraums 94 der Handhabungseinrichtung 36. Der Arbeitsraum 32 entspricht im Ausführungsbeispiel dem bei der gegebenen Konfiguration möglichen Bauraum. Der Arbeitsraum 32 beansprucht im Ausführungsbeispiel lediglich einen Teil des Bewegungsraums 94. Insbesondere dann, wenn die Handhabungseinrichtung 36 einen Roboter 38 umfasst, ist ein beträchtlicher Bewegungsraum 94 gegeben. Somit können Parkpositionen 48, 50 für Auftragsköpfe 40, 42, 44 hinreichend voneinander beabstandet im Gehäuse 18 innerhalb des Bewegungsraums 94 angeordnet sein. Somit sind zwar einerseits beim Wechsel der Auftragsköpfe 40, 42, 44 relativ große Wege zu überbrücken. Andererseits stellt die Handhabungseinrichtung 36 einen genügend großen Bewegungsraum 94 bereit. Somit kann der Bewegungsraum 94 für eine großzügige Anordnung der Auftragsköpfe 40, 42, 44 sowie der Schleppketten 65, 58, 60 genutzt werden.
In Ergänzung zu den 1 bis 3 veranschaulichen die 4 und 5 eine alternative Ausgestaltung der Anlage 10. Das Ausführungsbeispiel gemäß den 4 und 5 weist einen abgewandelten Werkstückträger 172 auf, der einen Drehtisch 174 und einen Schwenkantrieb 176 umfasst.
In der gezeigten Schwenkorientierung erlaubt der Drehtisch 174 Drehbewegungen/Schwenkbewegungen um die Z-Achse. Folglich stellt der Drehtisch 174 eine C-Achse bereit. Der Schwenkantrieb 176 erlaubt Drehbewegungen/Schwenkbewegungen um die Y-Achse. Folglich stellt der Schwenkantrieb 176 eine B-Achse bereit. Die Gestaltung des Werkstückträgers 172 des Ausführungsbeispiels gemäß den 4 und 5 ähnelt einem schwenkbaren Drehtisch mit B-Achse und C-Achse für eine 5-Achs-Fräsmaschine. Im Gegensatz dazu ähnelt der in den 1 bis 3 veranschaulichte Werkstückträger 72 einer Spindel einer Drehbank. Der Werkstückträger 172 eignet sich für diverse Bauteile und Einsatzzwecke.
Selbst dann, wenn die Handhabungsvorrichtung 36 (vergleiche den Roboter 38) eine Vielzahl an Bewegungsfreiheitsgraden bereitstellt, so kann es von Vorteil sein, auch die Werkstückauflage (Werkstückträger 72, 172) mit Bewegungsfreiheitsgraden zu versehen. Damit wird in beispielhaften Ausgestaltungen ein Werkstückauftrag „von oben“ oder zumindest im Wesentlichen „von oben“ ermöglicht. Dies bietet sich bei solchen Auftragsköpfen 40, 42, 44 an, die bevorzugt in vertikaler Orientierung operieren. Die Gestaltung der Werkstückträger 72, 172 ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen. Andere Gestaltungen mit mehr oder weniger Freiheitsgraden sind vorstellbar.
Im Übrigen dienen die 4 und 5 zur weiteren Veranschaulichung der übrigen Komponenten der Anlage 10, vergleiche die Handhabungseinrichtung 36, die Auftragsköpfe 40, 42, 44 mit den Schnittstellen 68 für die Schleppketten 56, 58, 60 mit den Versorgungsleitungen 62, 64, 66. Es versteht sich, dass die Schleppketten 56, 58, 60 jeweils mehrere Versorgungsleitungen 62, 64, 66 beherbergen können, zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen. Wenn mehrere Versorgungsleitungen 62, 64, 66 bei einer Schleppkette 56, 58, 60 vorgesehen sind, so können diese insgesamt als Leitungsbündel bezeichnet werden.
In Ergänzung zu den 1 bis 5 veranschaulichen die 6, 7 und 8 eine beispielhafte Ausgestaltung eines Auftragskopfes 40 zur Verwendung bei der Anlage 10. Den 6, 7 und 8 ist ferner eine beispielhafte Ausgestaltung einer Parkstation 52 für den Auftragskopf 40 entnehmbar. 6 veranschaulicht den Auftragskopf 40 in einem gelösten Zustand, in dem der Auftragskopf 40 insbesondere aus Veranschaulichungsgründen von der Handhabungseinrichtung 36 aber auch von der Befestigungsposition an der zugehörigen Wand 22, 24 beabstandet ist. Auf diese Weise sind die bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen Schnittstellen sichtbar. Der Auftragskopf 40 weist ein Kopplungsstück 84 auf. Die Handhabungseinrichtung 36 weist eine Aufnahme 82 auf. Das Koppelstück 84 ist in der Darstellung in 7 im entkoppeln Zustand gezeigt. Gemeinsam bilden die Aufnahme 82 und das Koppelstück 84 die Kupplung 80, also eine Schnittstelle zwischen dem Auftragskopf 40 und der Handhabungseinrichtung 36. In 6 und 7 ist ferner die Schnittstelle 68 dargestellt, an der die Schleppkette 56 mit der zumindest einen Versorgungsleitung 62 ankoppelt. 8 zeigt den Auftragskopf 40 mit angekoppelter Schleppkette 56. Im Normalbetrieb der Anlage 10 ist die Schnittstelle 68 permanent geschlossen, zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen.
7 veranschaulicht den Auftragskopf 40 in seiner Parkposition in der Parkstation 52. Die Parkstation 52 umfasst im Ausführungsbeispiel eine Haube 96. In der Parkposition ist der Auftragskopf 40 in der Haube 96 angeordnet. 8 veranschaulicht den Auftragskopf 42 in einer von der Haube 96 beabstandeten Stellung. Zur sicheren und definierten Aufnahme in der Haube 96 ist der Auftragskopf 40 an seiner dem Kopplungsstück 84 abgewandten Seite mit einer Kupplung 98 versehen. Der Kupplung 98 ist bei der Parkstation 52 ein korrespondierendes Gegenstück in Form einer Halteaufnahme 100 zugeordnet (vergleiche 6 und 8). Damit wird gewährleistet, dass der Auftragskopf 40 sicher und wiederholgenau geparkt werden kann. Die Haube 96 schützt sensible Komponenten des Auftragskopfes 40, insbesondere im Bereich von dessen Auftragsspitze 46. Die Parkstation 52 mit der Haube 96 ist im Ausführungsbeispiel über ein Montagestück 102 (vergleiche ebenso 6 und 8) an einer der Wände 22, 24 (bzw. 26, 28) des Gehäuses 18 befestigt, vergleiche 3.
Gemeinsam veranschaulichen die 6 bis 8 ein Ausführungsbeispiel der Parkstation 52, bei dem die Haube 96, die das Koppelstück 84 des Auftragskopfes 40 im geparkten Zustand abdeckt, über eine Führung 104 beweglich am Montagestück 102 bzw. der Halteaufnahme 100 angeordnet ist. Mit anderen Worten kann die Haube 96 ausweichen, damit der Auftragskopf 40 von der Handhabungseinrichtung 36 an der Halteaufnahme 100 abgesetzt oder von dieser abgeholt werden kann.
In den 6 bis 8 veranschaulicht der Doppelpfeil 106 diese Ausweichbewegung, im Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine vertikale Bewegung. In den 6 und 8 ist die Haube 96 in einer Ausweichposition gezeigt. In 7 befindet sich die Haube 96 in einer Parkposition, in der die Haube 96 das Koppelstück 84 abdeckt (dieses ist in 7 verdeckt und daher gestrichelt dargestellt). Mit anderen Worten wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Haube 96 in eine Ausweichposition verfahren, damit die Handhabungseinrichtung 36 mit der Aufnahme 82 an das Koppelstück 84 ankoppeln kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Koppelstück 84 in der Parkposition des Auftragskopfes 40 zumindest teilweise durch die Haube 96 abgedeckt. Damit können Verschmutzungen des Koppelstücks 84 reduziert oder gar vermieden werden.
Die 9 und 10 veranschaulichen ergänzend anhand vereinfachter, schematischer Darstellungen die Kopplung zwischen dem Auftragskopf 40 und der jeweils zugeordneten Handhabungseinrichtung 36, 136.
In 9 ist neben dem Auftragskopf 40 eine Handhabungseinrichtung 36 mit einem Roboter 38 dargestellt, analog zu den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 5. Zwischen dem Auftragskopf 40 und der Handhabungseinrichtung 36 ist eine Kupplung 80 vorgesehen, welche durch die Aufnahme 82 und das Koppelstück 84 gebildet ist. In 9 ist ferner eine Überwachungssensorik mit zwei Sensoren 108, 110 zur Überwachung des Kopplungszustands angedeutet.
Der Auftragskopf 40 weist ferner eine Schnittstelle 68 zur Verbindung mit der Schleppkette 56 auf. Die Schleppkette 56 dient als Führung für eine Mehrzahl von Versorgungsleitungen 112, 114, 116, 118, 120.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 9 handelt es sich bei der Versorgungsleitung 112 um einen Lichtleiter, insbesondere für Laserlicht. Auf diese Weise kann Energie in die Auftragsspitze 46 des Auftragskopfes 40 eingebracht werden.
Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Versorgungsleitung 114 um eine Materialzufuhr. Die Versorgungsleitung 114 ist beispielhaft zur Drahtzuführung oder zur Pulverzuführung ausgestaltet.
Im Ausführungsbeispiel ist die Versorgungsleitung 116 zur Versorgung mit einem Fluid, insbesondere mit einem Prozessgas, einem Schutzgas und/oder einem Kühlmittel ausgestaltet. Die Versorgungsleitung 116 kann allgemein zur Fluidversorgung ausgebildet sein.
Im Ausführungsbeispiel ist die Versorgungsleitung 118 zur Versorgung mit (elektrischer) Energie ausgestaltet. Auf diese Weise können Antriebe, Steuereinrichtungen und Ähnliches mit Energie versorgt werden. Als Verbraucher ist in 9 mit 124 ein Aktuator angedeutet. Bei dem Aktuator kann es sich etwa um einen Fokusantrieb für eine Optikbaugruppe und/oder um einen Vorschubantrieb für die Materialversorgung (beispielsweise Drahtvorschub) handeln.
Im Ausführungsbeispiel ist die Versorgungsleitung 120 zur Versorgung mit Daten, also zum Datenaustausch ausgebildet. Als Ziel und Quelle für den Datenaustausch ist in 9 beispielhaft mit 126 eine Steuereinheit angedeutet. In ähnlicher Weise können auch Sensoren vorgesehen sein, die über die Versorgungsleitung 120 kommunizieren.
Es versteht sich, dass die beispielhafte Ausgestaltung gemäß 9 nicht einschränkend zu verstehen ist. Über die Schnittstelle 68 können auch weitere oder weniger Versorgungsleitungen verlaufen. Wesentlich ist, dass zumindest eine, vorzugsweise mehrere der Versorgungsleitungen 114, 114, 116, 118, 120 nicht getrennt werden muss/müssen, wenn der Auftragskopf 40 gewechselt wird.
Die beispielhafte Ausführungsform gemäß 10 unterscheidet sich von der Darstellung gemäß 9 vorrangig durch die Gestaltung der Handhabungseinrichtung 136. Die Handhabungseinrichtung 136 weist eine lineare (kartesische) Kinematik 138 auf. Mit anderen Worten umfasst die Handhabungseinrichtung 136 in diesem Ausführungsbeispiel keinen Roboter. Auch mit der konventionellen linearen Kinematik 138 lässt sich eine Anlage zur additiven Fertigung realisieren. Die Handhabungseinrichtung 136 ist sowohl für den eigentlichen Aufbau am Werkstück als auch für den Wechsel von Auftragsköpfen nutzbar.
In dem schematischen Ausführungsbeispiel umfasst die Handhabungsrichtung 136 einen Z-Schlitten 140, der an einer Z-Führung 142 angeordnet ist. Die Z-Führung 142 ist auf einem Y-Schlitten 144 angeordnet, der auf einer Y-Führung 146 gelagert ist. Es versteht sich, dass in ähnlicher Weise auch ein X-Schlitten vorgesehen sein kann, der an einer X-Führung angeordnet ist. Aus Veranschaulichungsgründen ist dies in 10 nicht gezeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015218032 A1 [0008]
EP 1652614 A1 [0009]

Claims

Anlage zur additiven Fertigung, insbesondere mittels Direct Energy Deposition, die Folgendes aufweist: - eine Handhabungseinrichtung (36, 136) mit einer Aufnahme (82) zur Aufnahme eines Auftragskopfes (40, 42, 44), - einen Werkstückträger (72, 172), der einem Arbeitsraum (32) zugeordnet ist, der für einen an der Handhabungseinrichtung (36, 136) aufgenommenen Auftragskopf (40, 42, 44) erreichbar ist, - zumindest einen Auftragskopf (40, 42, 44), der zur Materialbereitstellung sowie zur Bereitstellung von Energie zum Schmelzen des Materials ausgebildet ist, wobei der Auftragskopf (40, 42, 44) an der Aufnahme (82) der Handhabungseinrichtung (36, 136) aufnehmbar ist, - zumindest zwei Parkpositionen (48, 50) für Auftragsköpfe (40, 42, 44) innerhalb des Bewegungsraums (94) der Handhabungseinrichtung (36, 136), wobei der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) ein Koppelstück (84) zur Ankopplung an die Aufnahme (82) aufweist, und wobei der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) sowohl in einer Arbeitsposition, in der der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) an der Handhabungseinrichtung (36, 136) aufgenommen ist, als auch in der Parkposition (48, 50) mit zumindest einer Versorgungsleitung (62, 64, 66) verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei Auftragsköpfe (40, 42, 44) vorgesehen sind, von denen zumindest einer in einer Parkposition (48, 50) angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest drei Parkpositionen (48, 50) vorgesehen sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Aufnahme (82) und das Koppelstück (84) eine mechanische Kupplung (80) zwischen der Handhabungseinrichtung (36, 136) und dem zumindest einen Auftragskopf (40, 42, 44) zur Bewegungsmitnahme des Auftragskopfes (40, 42, 44) durch die Handhabungseinrichtung (36, 136) erzeugen.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Versorgungsleitung (62, 64, 66) zur Prozessenergieversorgung ausgebildet ist, insbesondere als Lichtleiter zur Versorgung mit energiereicher Strahlung.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Versorgungsleitung (62, 64, 66) zur Materialversorgung ausgebildet ist, insbesondere zur Versorgung mit Pulvermaterial oder Drahtmaterial.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Versorgungsleitung (62, 64, 66) zur Fluidversorgung ausgebildet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Versorgungsleitung (62, 64, 66) zur Energieversorgung ausgebildet ist, insbesondere zur Versorgung von Aktuatoren und/oder Antrieben am Auftragskopf (40, 42, 44).
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zumindest eine Versorgungsleitung (62, 64, 66) zur Datenübertragung ausgebildet ist, insbesondere zur bidirektionalen Datenübertragung.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der zumindest eine Auftragskopf (40, 42, 44) sowohl in der Arbeitsposition als auch in der Parkposition (48, 50) mit mehreren Versorgungsleitungen (62, 64, 66) verbunden ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zumindest zwei Parkpositionen (48, 50) an einer Gehäusewand (22, 24, 26, 28) oder mehreren Gehäusewänden (22, 24, 26, 28) angeordnet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die zumindest zwei Parkpositionen (48, 50) in zumindest zwei Vertikalpositionen angeordnet sind.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die zumindest eine Versorgungsleitung (62, 64, 66), vorzugsweise zwei oder mehr Versorgungsleitungen (62, 64, 66) eines Auftragskopfes (40, 42, 44), in einer Schleppkette (56, 58, 60) aufgenommen ist.
Anlage nach Anspruch 13, wobei die Schleppkette als räumlich bewegliche Schleppkette (56, 58, 60) gestaltet ist, insbesondere als sogenannte 3D-Schleppkette.
Anlage nach Anspruch 13 oder 14, wobei ein Gewichtsausgleichsmechanismus (88) für zumindest eine Schleppkette (56, 58, 60) vorgesehen ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Werkstückträger (72, 172) beweglich ist und weitere Bewegungsfreiheitsgrade bereitstellt.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Werkstückträger (72, 172) einen Tisch (174) oder eine Plattform umfasst, insbesondere als Werkstückauflage.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Werkstückträger (72, 172) eine Spanneinrichtung (74) umfasst, die eine Rotationsachse des Werkstücks definiert.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei zumindest einer, vorzugsweise jeder Parkposition (48, 50) eine Haube (96) zugeordnet ist, die das Koppelstück (84) eines geparkten Auftragskopfes (40, 42, 44) zumindest teilweise abdeckt, und wobei die Haube (96) vorzugsweise in eine Ausweichposition verfahrbar ist, um das Koppelstück (84) freizugeben.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Handhabungseinrichtung (36, 136) eine lineare Kinematik (138) mit kartesischen Achsen aufweist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Handhabungseinrichtung (36, 136) einen Roboter (38) umfasst, insbesondere einen Gelenkarmroboter.