DE102020004914A1 - Machine for the production of metallic shaped bodies using additive manufacturing processes - Google Patents

Machine for the production of metallic shaped bodies using additive manufacturing processes Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Maschine zum Herstellen von metallischen Formkörpern (14) mittels additiver Fertigungsverfahren, wobei ausgehend von einem digitalen Modell ein dreidimensionales Objekt durch schichtweises Auftragen von Material erstellt wird, mit einem Maschinenbett (2), einem Additivfertigungskopf (23) und einer Formkörperpositioniereinheit (24) mit einem Drehteller (12) zum Aufnehmen und Positionieren der Formkörper (14), wobei die Formkörper (14) durch schichtweises Auftragen von Material erstellt werden, wobei der Additivfertigungskopf (23) relativ zum Maschinenbett (2) entlang zweier linearer Achsen (X, Z) beweglich geführt ist und wobei die Formkörperpositioniereinheit (24) am Maschinenbett (2) entlang einer linearen Achse (Y) beweglich geführt ist und wobei der Drehteller (12) um eine erste Schwenkachse (21) und um eine zweite Schwenkachse (22) drehbar gelagert ist.The invention relates to a machine for producing metallic shaped bodies (14) by means of additive manufacturing methods, a three-dimensional object being created by applying material in layers starting from a digital model, with a machine bed (2), an additive manufacturing head (23) and a shaped body positioning unit ( 24) with a turntable (12) for receiving and positioning the shaped bodies (14), the shaped bodies (14) being created by applying material in layers, the additive manufacturing head (23) being oriented relative to the machine bed (2) along two linear axes (X , Z) is movably guided and the molding positioning unit (24) is movably guided on the machine bed (2) along a linear axis (Y) and the turntable (12) is guided about a first pivot axis (21) and a second pivot axis (22) is rotatably mounted.

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine zum Herstellen von metallischen Formkörpern mittels additiver Fertigungsverfahren, wie z.B. das Auftragsschweißen, wobei ausgehend von einem digitalen Modell ausschließlich durch einen Schweißzusatzwerkstoff (Draht oder Pulver) ein dreidimensionales Objekt durch schichtweises Auftragen von Material erstellt wird. Derartige Fertigungsverfahren, sind z.B. aus der DE 11 2016 001 410 T5 oder der DE 10 2016 106 373 A1 bekannt. Letztere offenbart eine Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren, wobei ein zu erstellendes Formteil um zwei Achsen drehbar gelagert ist. Die weiteren üblichen Relativbewegungen erfolgen entlang translatorischer Achsen.The invention relates to a machine for producing metallic shaped bodies using additive manufacturing processes such as build-up welding, starting from a digital model and using only a welding filler material (wire or powder) to create a three-dimensional object by applying material in layers. Such manufacturing processes are, for example, from the DE 11 2016 001 410 T5 or the DE 10 2016 106 373 A1 famous. The latter discloses a device for carrying out the method, with a molded part to be created being mounted so that it can rotate about two axes. The other usual relative movements take place along translatory axes.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Maschine mit einem Additivfertigungskopf und einer Formkörperpositioniereinheit aufzuzeigen, die in fünf Achsen relativ zueinander beweglich angeordnet sind. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung die Achsen platzsparend mit möglichst geringem baulichen Aufwand anzuordnen. Gelöst werden diese Aufgaben durch eine Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der untergeordneten Patentansprüche. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein zweiachsig bewegbarer Additivfertigungskopf zusammen mit einer dreiachsig bewegbaren Formkörperpositioniereinheit eine kompakte und platzsparende Bauweise ermöglicht. Außerdem sind dabei die zu bewegenden Massen vorteilhaft aufgeteilt, so dass kürzere Bearbeitungszeiten erzielt werden.It is the object of the present invention to show a generic machine with an additive manufacturing head and a molding positioning unit, which are arranged to be movable relative to one another in five axes. It is also an object of the invention to arrange the axles in a space-saving manner with as little structural effort as possible. These tasks are solved by a machine with the features of patent claim 1. Advantageous developments are the subject matter of the subordinate patent claims. According to the invention, it was recognized that an additive manufacturing head that can be moved in two axes together with a molded body positioning unit that can be moved in three axes enables a compact and space-saving design. In addition, the masses to be moved are advantageously divided up so that shorter processing times are achieved.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den Zeichnungen werden gleiche oder entsprechende Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.The invention is described in more detail below using schematic exemplary embodiments. In the drawings, the same or corresponding elements are denoted by the same reference numerals.

Es zeigen:

  • 1 eine erfindungsgemäße Maschine 1 in der Frontansicht
  • 2 die Maschine 1 nach 1 in der Seitenansicht
  • 3 die Maschine 1 in einer alternativen Ausführung in der Frontansicht
  • 4 die Maschine 1 nach 3 in der Seitenansicht
Show it:
  • 1 a machine 1 according to the invention in the front view
  • 2 the machine 1 after 1 in side view
  • 3 the machine 1 in an alternative embodiment in the front view
  • 4 the machine 1 after 3 in side view

Die Maschine 1 zum Herstellen von metallischen Formkörpern 14 nach 1 weist ein Maschinenbett 2 auf mit zwei voneinander beabstandeten Seitenwänden 4, 4' auf. Auf der Oberseite des Maschinenbettes 2 sind X-Führungsschienen 8 angeordnet. Auf diesen ist der X-Schlitten 5 mit Führungsschuhen 11 in X-Richtung linearbeweglich geführt. Der X-Schlitten 5 wird vom ersten Antriebsmotor 18 über eine erste Rollengewindespindel 15 bewegt. An der vertikalen Vorderseite des X-Schlittens 5 ist ein Z-Schlitten 7 entlang von Z-Führungsschienen 10 beweglich. Dieser wird von einem zweiten Antriebsmotor 19 über eine zweite Rollengewindespindel 16 bewegt. Ein an der Unterseite des Z-Schlittens 7 angeordneter Additivfertigungskopf 23 ist somit innerhalb der X-Z-Ebene beliebig positionierbar. Zwischen den Seitenwänden 4, 4' ist in einem Hohlraum 3 des Maschinenbettes 2 ein Y-Schlitten 6 angeordnet, der entlang von Y-Führungsschienen 9 an der Innenseite der Seitenwand 4' in Y-Richtung beweglich geführt ist. Der Antrieb erfolgt von einem dritten Antriebsmotor 20 über eine dritte Rollengewindespindel 17. Der Y-Schlitten 6 weist ein Schwenkteil 13 auf. Dieses ist um eine gegenüber der X-Z-Ebene geneigte erste Schwenkachse 21 von einem im Y-Schlitten integrierten, nicht dargestellten Positionsantrieb rotatorisch positionierbar. Ein Drehteller 12 ist im Schwenkteil 13 um eine zweite Schwenkachse 22 rotierbar angeordnet. Der ebenfalls nicht dargestellte Drehtellerantrieb ist im Schwenkteil 13 integriert. An seiner Oberseite nimmt der Drehteller 12 herzustellende Formkörper 14 auf. Der Y- Schlitten 6, das Schwenkteil 13 und der Drehteller 12 bilden zusammen die Formkörperpositioniereinheit 24.The machine 1 for producing metallic shaped bodies 14 according to 1 has a machine bed 2 with two spaced-apart side walls 4, 4'. X guide rails 8 are arranged on the upper side of the machine bed 2 . The X-slide 5 with guide shoes 11 is guided linearly movably in the X-direction on these. The X carriage 5 is moved by the first drive motor 18 via a first roller screw 15 . A Z slide 7 is movable along Z guide rails 10 on the vertical front side of the X slide 5 . This is moved by a second drive motor 19 via a second roller screw 16 . An additive manufacturing head 23 arranged on the underside of the Z slide 7 can thus be positioned anywhere within the XZ plane. A Y slide 6 is arranged between the side walls 4, 4' in a cavity 3 of the machine bed 2 and is movably guided in the Y direction along Y guide rails 9 on the inside of the side wall 4'. It is driven by a third drive motor 20 via a third roller thread spindle 17 . The Y slide 6 has a pivoting part 13 . This can be rotationally positioned about a first pivot axis 21, which is inclined relative to the XZ plane, by a positioning drive (not shown) that is integrated in the Y slide. A turntable 12 is arranged in the pivot part 13 such that it can rotate about a second pivot axis 22 . The turntable drive, also not shown, is integrated in the pivoting part 13 . On its upper side, the turntable 12 accommodates the molded body 14 to be produced. The Y-carriage 6, the pivoting part 13 and the turntable 12 together form the molding positioning unit 24.

Die Anordnung der Achsen der Formkörperpositioniereinheit 24 wird in 2 näher erläutert. Der Y-Schlitten 6 ist in Y-Richtung entlang der Y-Führungsschienen 9 verfahrbar und wird über die dritte Rollengewindespindel 17 vom dritten Antriebsmotor 20 positioniert. Die Y-Führungsschienen 9 sind so dimensioniert, dass die Formkörperpositioniereinheit 24 aus einer Bearbeitungsposition 27 in eine Ladeposition 28 bewegt werden kann. Die erste Schwenkachse 21 verläuft in der Y-Z-Ebene um 45° relativ zur y-Richtung geneigt. Die zweite Schwenkachse 22 ist im Schwenkteil 13 derart angeordnet, dass sie mit der ersten Schwenkachse 21 einen Winkel von 135° einschließt. Mit Drehbewegungen des Schwenkteils 13 um die erste Schwenkachse 21 kann die zweite Schwenkachse 22 beliebig aus der Vertikalen (parallel zur Z-Achse) in die Horizontale (parallel zur X-Achse) bewegt werden. Zusammengefasst ermöglichen der zweiachsig bewegbare Additivfertigungskopf 23 und die dreiachsig positionierbare Formkörperpositioniereinheit 24 fünfachsige Bewegungen relativ zueinander.The arrangement of the axes of the molding positioning unit 24 is shown in 2 explained in more detail. The Y carriage 6 can be moved in the Y direction along the Y guide rails 9 and is positioned by the third drive motor 20 via the third roller thread spindle 17 . The Y guide rails 9 are dimensioned in such a way that the molding positioning unit 24 can be moved from a processing position 27 into a loading position 28 . The first pivot axis 21 runs in the YZ plane at an angle of 45° relative to the y direction. The second pivot axis 22 is arranged in the pivot part 13 in such a way that it encloses an angle of 135° with the first pivot axis 21 . With rotary movements of the pivoting part 13 about the first pivoting axis 21, the second pivoting axis 22 can be moved arbitrarily from the vertical (parallel to the Z-axis) to the horizontal (parallel to the X-axis). In summary, the two-axis movable additive manufacturing head 23 and the three-axis positionable molding positioning unit 24 allow five-axis movements relative to each other.

Die 3 und 4 zeigen eine alternative Ausführungsform. Diese weist ebenfalls einen zweiachsig bewegbaren Additivfertigungskopf 23 und eine dreiachsig positionierbare Formkörperpositioniereinheit 24 auf. Im Unterschied zu der Ausführung nach 1 wurden hier der X-Schlitten 5 und der Y-Schlitten 6 mit den zugehörigen Führungsschienen anders angeordnet:

  • Auf der Oberseite des Maschinenbettes 2 sind Y-Führungsschienen 9 angeordnet. Auf diesen ist der Y-Schlitten 6 in Y-Richtung linearbeweglich geführt. An der vertikalen Vorderseite des Y-Schlittens 6 ist in Analogie zur Ausführung nach 1 der Z-Schlitten 7 entlang von Z-Führungsschienen 10 beweglich geführt.
the 3 and 4 show an alternative embodiment. This also has an additive manufacturing head 23 that can be moved in two axes and a molding positioning unit 24 that can be positioned in three axes. In contrast to the version according to 1 were here the X-carriage 5 and the Y-carriage 6 with the associated guide rails arranged differently:
  • Y guide rails 9 are arranged on the upper side of the machine bed 2 . The Y carriage 6 is guided in a linearly movable manner in the Y direction on these. On the vertical front of the Y-carriage 6 is analogous to the embodiment shown in FIG 1 the Z slide 7 is movably guided along Z guide rails 10 .

Der X-Schlitten 5 ist an der Vorderwand 25 des Maschinenbettes 2 entlang von X-Führungsschienen 8 beweglich geführt. Der X-Schlitten 5 ist in U-Form ausgeführt. In den beiden Schenkeln des „U“ ist eine Schwinge 26 um eine erste Schwenkachse 21 drehbar gelagert. In der Schwinge 26 ist der Drehteller 12 um eine zweite Schwenkachse 22 rotierbar derart angeordnet, dass sie mit der ersten Schwenkachse 21 einen Winkel von 90° einschließt. Die nicht dargestellten Positionierantriebe für die erste und zweite Schwenkachse 21, 22 sind im X-Schlitten 5 bzw. in der Schwinge 26 integriert.The X slide 5 is movably guided along X guide rails 8 on the front wall 25 of the machine bed 2 . The X-carriage 5 is designed in a U-shape. A rocker arm 26 is rotatably mounted about a first pivot axis 21 in the two legs of the “U”. The turntable 12 is arranged in the rocker 26 such that it can rotate about a second pivot axis 22 in such a way that it encloses an angle of 90° with the first pivot axis 21 . The positioning drives, not shown, for the first and second pivot axes 21, 22 are integrated in the X-carriage 5 or in the rocker 26.

Die Anordnung der X-Führungsschienen 8 an der Vorderwand 25 des Maschinenbettes 2 und die Anordnung der Y-Führungsschienen 9 auf der Oberseite des Maschinenbettes 2 ermöglichen ebenfalls eine kompakte Bauweise, wobei das Maschinenbett 2 besonders steif als Monoblock ausgeführt werden kann.The arrangement of the X guide rails 8 on the front wall 25 of the machine bed 2 and the arrangement of the Y guide rails 9 on the top of the machine bed 2 also enable a compact design, with the machine bed 2 being able to be designed as a particularly rigid monoblock.

BezugszeichenlisteReference List

11
Maschinemachine
22
Maschinenbettmachine bed
33
Hohlraumcavity
4, 4'4, 4'
SeitenwandSide wall
55
X-SchlittenX carriage
66
Y-SchlittenY carriage
77
Z-SchlittenZ slide
88th
X-FührungsschienenX guide rails
99
Y-FührungsschienenY guide rails
1010
Z-FührungsschienenZ guide rails
1111
Führungsschuhguide shoe
1212
Drehtellerturntable
1313
Schwenkteilswivel part
1414
Formkörpermolding
1515
erste Rollengewindespindelfirst roller screw
1616
zweite Rollengewindespindelsecond roller screw
1717
dritte Rollengewindespindelthird roller screw
1818
erster Antriebsmotorfirst drive motor
1919
zweiter Antriebsmotorsecond drive motor
2020
dritter Antriebsmotorthird drive motor
2121
erste Schwenkachsefirst pivot axis
2222
Zweite SchwenkachseSecond pivot axis
2323
Additivfertigungskopfadditive manufacturing head
2424
Formkörperpositioniereinheitmolding positioning unit
2525
Vorderwandfront wall
2626
Schwingeswingarm
2727
Bearbeitungspositionprocessing position
2828
Ladepositionloading position

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 112016001410 T5 [0001]DE 112016001410 T5 [0001]
  • DE 102016106373 A1 [0001]DE 102016106373 A1 [0001]

Claims (8)

Maschine (1) zum Herstellen von metallischen Formkörpern (14) mittels additiver Fertigungsverfahren mit einem Maschinenbett (2), einem Additivfertigungskopf (23) und einer Formkörperpositioniereinheit (24) mit einem Drehteller (12) zum Aufnehmen und Positionieren der Formkörper (14), wobei die Formkörper (14) durch schichtweises Auftragen von Material erstellt werden, wobei der Additivfertigungskopf (23) relativ zum Maschinenbett (2) entlang zweier linearer Achsen (X, Z) beweglich geführt ist und wobei die Formkörperpositioniereinheit (24) am Maschinenbett (2) entlang einer linearen Achse (Y) beweglich geführt ist und wobei der Drehteller (12) um eine erste Schwenkachse (21) und um eine zweite Schwenkachse (22) drehbar gelagert ist.Machine (1) for producing metallic shaped bodies (14) by means of additive manufacturing processes with a machine bed (2), an additive manufacturing head (23) and a shaped body positioning unit (24) with a turntable (12) for receiving and positioning the shaped bodies (14), wherein the shaped bodies (14) are created by applying material in layers, with the additive manufacturing head (23) being movably guided relative to the machine bed (2) along two linear axes (X, Z) and with the shaped body positioning unit (24) along the machine bed (2). a linear axis (Y) and wherein the turntable (12) is rotatably mounted about a first pivot axis (21) and a second pivot axis (22). Maschine (1) nach Patenanspruch 1 mit einem X-Schlitten (5), einem Y-Schlitten (6) und einem Z-Schlitten (7), wobei das Maschinenbett (2) Seitenwände (4, 4') aufweist, wobei der X-Schlitten (5) an der Oberseite des Maschinenbettes (2) auf X-Führungsschienen (8) beweglich geführt ist, wobei der Z-Schlitten (7) an der Vorderseite des X-Schlittens (5) auf Z-Führungsschienen (10) beweglich geführt ist und wobei der Y-Schlitten (6) auf Y-Führungsschienen (9) an der Seitenwand (4') beweglich geführt ist.Machine (1) after Godfather claim 1 with an X-carriage (5), a Y-carriage (6) and a Z-carriage (7), wherein the machine bed (2) has side walls (4, 4 '), wherein the X-carriage (5) on the upper side of the machine bed (2) is movably guided on X guide rails (8), the Z carriage (7) being movably guided on the front side of the X carriage (5) on Z guide rails (10) and the Y Carriage (6) is movably guided on Y-guide rails (9) on the side wall (4'). Maschine (1) nach Patenanspruch 1 oder 2, wobei die erste Schwenkachse (21) in der Y-Z-Ebene um 45° relativ zur y-Richtung geneigt verläuft und mit der zweiten Schwenkachse (22) einen Winkel von 135° einschließt.Machine (1) after Godfather claim 1 or 2 , wherein the first pivot axis (21) in the YZ plane is inclined by 45° relative to the y-direction and encloses an angle of 135° with the second pivot axis (22). Maschine (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei das Maschinenbett (2) einen Hohlraum (3) aufweist und wobei der Y-Schlitten (6) innerhalb des Hohlraumes (3) auf Y-Führungsschienen (9) an einer Innenseite der Seitenwand (4') beweglich geführt ist.Machine (1) according to one of patent claims 1 until 3 , wherein the machine bed (2) has a cavity (3) and wherein the Y slide (6) is movably guided within the cavity (3) on Y guide rails (9) on an inside of the side wall (4 '). Maschine (1) nach Patenanspruch 1 mit einem X-Schlitten (5), einem Y-Schlitten (6) und einem Z-Schlitten (7), wobei das Maschinenbett (2) eine Vorderwand (25) aufweist, wobei der X-Schlitten (5) an der Oberseite des Maschinenbettes (2) auf X-Führungsschienen (8) beweglich geführt ist, wobei der Z-Schlitten (7) an der Vorderseite des X-Schlittens (5) auf Z-Führungsschienen (10) beweglich geführt ist und wobei der Y-Schlitten (6) auf Y-Führungsschienen (9) an der Vorderwand (25) beweglich geführt ist.Machine (1) after Godfather claim 1 with an X slide (5), a Y slide (6) and a Z slide (7), wherein the machine bed (2) has a front wall (25), the X slide (5) on the top of the Machine bed (2) is movably guided on X guide rails (8), the Z carriage (7) being movably guided on the front side of the X carriage (5) on Z guide rails (10) and the Y carriage ( 6) is movably guided on Y guide rails (9) on the front wall (25). Maschine (1) nach Patentanspruch 5, wobei die erste Schwenkachse (21) mit der zweiten Schwenkachse (22) einen Winkel von 90° einschließt.machine (1) after Claim 5 , wherein the first pivot axis (21) with the second pivot axis (22) encloses an angle of 90 °. Maschine (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei der Additivfertigungskopf (23) Mittel zum Auftragsschweißen umfasst.Machine (1) according to one of patent claims 1 until 6 , wherein the additive manufacturing head (23) comprises means for build-up welding. Maschine (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei Formkörperpositioniereinheit (24) aus einer Bearbeitungsposition (27) in eine Bearbeitungsposition (28) verfahrbar angeordnet ist.Machine (1) according to one of patent claims 1 until 7 , wherein the molding positioning unit (24) is arranged such that it can be moved from a processing position (27) into a processing position (28).
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