DE102020118034B4

DE102020118034B4 - Verfahren zum Herstellen eines 3-dimensionalen Objektes und Vorrichtung dazu

Info

Publication number: DE102020118034B4
Application number: DE102020118034.9A
Authority: DE
Inventors: Mario Koppe; Lars Benjamin Finke
Original assignee: Ottobock SE and Co KGaA
Current assignee: Ottobock SE and Co KGaA
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2024-03-07
Anticipated expiration: 2040-07-09
Also published as: US20230249403A1; WO2022008659A1; DE102020118034A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines 3-dimensionalen Objektes mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, bei dem aus wenigstens einer Einbringöffnung einer Einbringnadel wenigstens ein Fertigungsmaterial in einem fließfähigen Zustand in ein Stützmaterial eingebracht wird und danach aushärtet, wobei das Fertigungsmaterial in mehreren Lagen nacheinander eingebracht wird, wobei die Einbringnadel eine Längserstreckung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringnadel wenigstens ein Werkzeug aufweist, durch das beim Einbringen einer aktuellen Lage des Fertigungsmaterials wenigstens eine vorhergehende Lage bearbeitet wird und das entlang der Längserstreckung über die Einbringöffnung der Einbringnadel herausragt, wobei das wenigstens eine Werkzeug in Bewegungsrichtung hinter der Einbringöffnung angeordnet ist und in die aktuelle Lage und in die vorhergehende Lage hineinragt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines 3-dimensionalen Objektes mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, bei dem aus wenigstens einer Einbringöffnung einer Einbringnadel wenigstens ein Fertigungsmaterial in einem fließfähigen Zustand in ein Stützmaterial eingebracht wird und danach aushärtet, wobei das Fertigungsmaterial in mehreren Lagen nacheinander eingebracht wird. Die Erfindung betrifft zudem Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Additiven Fertigungsverfahrens sind heute in vielen Formen aus dem Stand der Technik bekannt und werden zur Herstellung sehr unterschiedlicher 3-dimensionaler Objekte verwendet. Herkömmlicherweise sind additive Fertigungsverfahren zum Herstellen großer Stückzahlen der jeweiligen Objekte kaum geeignet, da die Herstellung einzelner Objekte viel Zeit in Anspruch nimmt. Bei additiven Fertigungsverfahren, insbesondere beim 3-D-Drucken, wird das herzustellende Objekt aus einer Vielzahl sehr dünner übereinander angeordnete Schichten aufgebaut, die oftmals nur einige Mikrometer dick sind. Daher ist die Herstellung insbesondere großer Objekte zeitaufwendig und hat sich deswegen zur Herstellung großer Stückzahl noch nicht durchgesetzt.
In den vergangenen Jahren sind auf diesem Gebiet große Fortschritte erzielt worden. Beispielsweise wurde vom MIT ein 3-dimensionales Druckverfahren entwickelt, das in der US 2018/281295 A1 veröffentlicht wurde. Dabei wird das herzustellende Objekt in einem Behälter erzeugt, der eine Gelsuspension oder ein anderes Material als Stützmaterial beinhaltet, das mit dem Fertigungsmaterial nicht chemisch reagiert. Es dient ausschließlich zum Stützen des Fertigungsmaterials, solange dieses noch nicht ausgehärtet oder ausreichend vernetzt ist. Bei dem Verfahren wird das Fertigungsmaterial in einem fließfähigen Zustand, beispielsweise flüssig oder gelförmig, an die gewünschten Positionen innerhalb des Stützmaterials eingebracht. Dazu wird die Einbringnadel verwendet, die in drei Richtungen verschoben werden kann, die linear unabhängig voneinander sind. Aufgrund der Dichteverhältnisse zwischen dem Fertigungsmaterial und dem Stützmaterial verbleibt das eingebrachte Fertigungsmaterial an der jeweiligen Position, sodass auf besonders schnelle Weise 3-dimensionale Objekte gedruckt werden können, indem das Fertigungsmaterial an die gewünschten Stellen gebracht wird und anschließend dort vernetzt, erstarrt oder aushärtet. Dieses Verfahren ist gegenüber bisherigen 3-D-Druckverfahren deutlich schneller und ermöglicht es auch flexible oder elastische Gegenstände herzustellen. Zudem erlaubt es, eine Vielzahl an Materialien zu verdrucken, die nicht speziell für additive Fertigungsverfahren optimiert wurden, sondern sich in konventionellen Gussprozessen etabliert haben. Dazu zählen beispielsweise biokompatible Silikone. Allerdings kommt es bei bestimmten Materialkombinationen aus Fertigungsmaterial und Stützmaterial zu Problemen. Ein ähnliches Verfahren wird von der Firma NSTRMNT unter http://nstrmnt.com/#/suspended-depositions/ unter dem Stichwort „Suspended Deposition“ beschrieben.
Ein 3-dimensionales Objekt wird mit dem Verfahren in verschiedenen Schichten aufgebaut, die aufeinander angeordnet werden. Diese Schichten sind jedoch gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich dicker ausführbar, sodass auch große Objekte relativ schnell hergestellt werden können. Dafür ist es jedoch notwendig, dass unterschiedliche Lagen des Fertigungsmaterials, die aufeinander aufgebracht werden, innerhalb des Stützmaterials nicht nur an der gewünschten Position verbleiben, sondern sich zwischen diesen Lagen eine ausreichend feste Verbindung ausbildet, damit ein 3-dimensionales Objekt entsteht. Neben diesem grundlegenden Lagenverbund, der zur Erzeugung zusammenhängender Bauteile notwendig ist, ist es wünschenswert, dass die noch nicht ausgehärteten Materialien ineinander verfließen um möglichst gatte Objektoberflächen zu erhalten. Dies ist bei bestimmten Materialkombinationen nur unzureichend der Fall, sodass die Festlegung passender Prozessparameter und Materialkombinationen teilweise mit großem Forschungsaufwand verbunden und damit kosten- und zeitintensiv ist.
Aus den Druckschriften US 2016/ 0 263 827 A1 und US 2017/ 0 182 712 A1 ist jeweils ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche bekannt.
Aus der CN 1 07 297 893 A ist ein Druckkopf mit einem an dem Druckkopf angebrachten Werkzeug in Form von Nadeln zur Verbesserung der Zwischenlagenhaftung zwischen abgelegten Lagen bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren so zu verbessern, dass die Nachteile aus dem Stand der Technik behoben oder zumindest gemildert werden.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es für die Haftung unterschiedlicher Lagen des Fertigungsmaterials aneinander oder aufeinander von Vorteil ist, wenn eine bereits eingebrachte Lage des Fertigungsmaterials beim Einbringen der aktuellen Lage erneut bearbeitet wird, sodass vorzugsweise der Kontakt zwischen den unterschiedlichen Lagen verbessert und so die Haftung und Bindung zwischen den unterschiedlichen Lagen erhöht und/oder die Oberflächenqualität gesteigert wird. Überraschenderweise ist es dafür nicht notwendig, beispielsweise einen hydrostatischen Druck, der auf das Stützmaterial wirkt, zu erhöhen oder den Druck zu erhöhen, mit dem das Fertigungsmaterial aus der Einbringnadel in das Stützmaterial eingebracht wird. Diese Maßnahmen können einzeln oder gemeinsam von Vorteil sein, sind jedoch für die Funktionsweise der Erfindung nicht notwendig.
Die Einbringnadel wird bei den hier beschriebenen Verfahren durch das Stützmaterial bewegt. Sie verfügt in der Regel über eine Längsrichtung, die sich von einem Ende der Einbringnadel, an dem das Fertigungsmaterial in die Einbringnadel eingeführt wird, zu einem gegenüberliegenden Ende der Einbringnadel erstreckt, an der das Fertigungsmaterial die Einbringnadel verlässt. Insbesondere an diesem Ende der Einbringnadel, an dem eine Einbringöffnung vorhanden ist, kann die Einbringnadel eine Biegung, einen Knick oder eine Kurve aufweisen, ohne dass dies im Sinne der vorliegenden Erfindung die Längserstreckung der Einbringnadel verändert. Vorzugsweise verfügt die Einbringnadel über einen rohrförmigen Abschnitt, der gerade ausgebildet ist, und die Längserstreckung der Einbringnadel definiert. Eine Einbringnadel mit Längserstreckung kann dabei in Richtungen senkrecht zur Längserstreckung bewegt werden. Dabei können unterschiedlichste geometrische Pfade abgefahren und die Einbringnadel entlang dieser Pfade bewegt werden. Die Einbringnadel kann jedoch auch zusätzlich oder alternativ dazu entlang ihrer Längserstreckung bewegt werden. Dies entspricht einer Bewegung in „z“-Richtung, während die Bewegung senkrecht dazu einer Bewegung in einer „x“-„y“-Ebene entspricht. Selbstverständlich sind auch Bewegungen möglich, die einer Kombination dieser Richtungen entsprechen.
Selbstverständlich ist auch eine Einbringnadel, die über keinen geradlinigen Abschnitt verfügt, der eine Längserstreckung definieren könnte, entlang dieser Richtungen bewegbar. Die Richtung, in der einer Einbringnadel bewegt wird, wird im Folgenden als Bewegungsrichtung beschrieben.
Das wenigstens eine Werkzeug ist vorzugsweise aus dem gleichen Material hergestellt, wie die Einbringnadel, beispielsweise einem Metall oder einem Kunststoff. Es kann jedoch auch aus einem anderen Material als die Einbringnadel hergestellt sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das wenigstens eine Werkzeug ein Dorn oder ein Stift oder einen einer Kelle ähnliches flächiges Objekt. Besonders bevorzugt ragt das wenigstens eine Werkzeug entlang der „z“-Richtung, die besonders bevorzugt der Richtung des Schwerefeld der Erde entspricht, über das Ende der Einbringnadel hinaus. Besonders bevorzugt ragt das wenigstens eine Werkzeug in dieser Richtung über die Einbringöffnung der Einbringnadel hinaus.
Vorzugsweise ragt das wenigstens eine Werkzeug beim Einbringen der aktuellen Lage des Fertigungsmaterials in wenigstens eine vorhergehende Lage hinein, wobei das wenigstens eine Werkzeug bevorzugt in Bewegungsrichtung der Einbringnadel vor der Einbringnadel angeordnet ist. Beim Herstellen des 3-dimensionalen Objektes wird die Einbringnadel folglich so durch das Stützmaterial bewegt, dass eine aktuelle Lage von Fertigungsmaterial in das Stützmaterial eingebracht wird und dabei mit einer vorherigen Lage, bevorzugt mit der unmittelbar vorher eingebrachten Lage, Kontakt kommt. Vorteilhafterweise ist dabei das wenigstens eine Werkzeug in Bewegungsrichtung der Einbringnadel vor der Einbringnadel angeordnet. In dieser Position hat es zwei Effekte. Einerseits wird durch das Werkzeug das Stützmaterial in Bewegungsrichtung unmittelbar vor der Einbringnadel geteilt und aufgerissen, sodass eine Bewegung der Einbringnadel durch das Stützmaterial in Bewegungsrichtung leichter möglich ist. Andererseits ragt das Werkzeug bevorzugt über die Einbringöffnung hinaus, sodass es zumindest in die unmittelbar zuvor in das Stützmaterial eingebrachte Lage des Fertigungsmaterials hineinragt. Damit wird auch diese Lage bearbeitet, insbesondere aufgeschlitzt, aufgerissen oder aufgeschnitten.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Werkzeug dabei so lang und ragt soweit über die Einbringöffnung der Einbringnadel hinaus, dass mehrere Lagen des Fertigungsmaterials, die bereits in das Stützmaterial eingebracht wurden, entsprechend bearbeitet werden, also insbesondere aufgeschlitzt, aufgerissen oder aufgeschnitten werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt das wenigstens eine Werkzeug über eine Wulst ähnlich einem Schiffsbug, und steht mit dieser Wulst in Bewegungsrichtung der Einbringnadel über die Einbringnadel hervor. Bevorzugt wird beim Bewegen der Einbringnadel diese Wulst entlang einer bereits eingebrachten Lage aus Fertigungsmaterial verschoben und in der Lage bewegt. Dadurch wird die Lage, in der sich die Wulst bewegt, geöffnet und aufgeweitet und die aktuelle Lage kommt in besonders großflächigen Kontakt.
Auf diese wenigstens eine so bearbeitete Lage Fertigungsmaterial wird dann die aktuelle Lage des Fertigungsmaterials aufgebracht und kommt mit ihr in Kontakt. Beim späteren Aushärten, Vernetzen oder Erstarren wird überraschenderweise eine deutlich stärkere Verbindung zwischen den unterschiedlichen Lagen erreicht.
Vorzugsweise vermischt oder glättet das wenigstens eine Werkzeug die aktuelle Lage und die wenigstens eine vorhergehende Lage und/oder drückt sie aneinander. Dazu ist es von Vorteil, wenn das wenigstens eine Werkzeug in Bewegungsrichtung der Einbringnadel neben der Einbringnadel angeordnet ist. Auch in dieser Anordnung ragt das wenigstens eine Werkzeug bevorzugt in „z“-Richtung über die Einbringöffnung der Einbringnadel hinaus. In dieser Ausgestaltung verfügt das hergestellte 3-dimensionale Objekt über eine konstante oder zumindest nahezu konstante Wandstärke und/oder eine glatte und ebene Fläche. Auch dadurch wird der Kontakt zwischen den einzelnen Lagen verbessert und beim späteren Aushärten, Vernetzen oder Erstarren die Verbindung zwischen den einzelnen Lagen erhöht. In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt die Einbringnadel über wenigstens zwei Werkzeuge, die bevorzugt einander gegenüberliegend auf zwei unterschiedlichen Seiten der Einbringnadel angeordnet sind. Dadurch können sowohl eine Innenfläche als auch eine Außenfläche des herzustellenden 3-dimensionalen Objektes geglättet werden, wodurch die Verbindung zwischen den einzelnen Lagen weiter verstärkt wird.
Erfindungsgemäß ist das wenigstens eine Werkzeug in Bewegungsrichtung hinter der Einbringnadel angeordnet. Es ragt bevorzugt sowohl in die aktuelle Lage als auch in wenigstens eine vorhergehende Lage hinein. Besonders bevorzugt ragt es in mehrere vorhergehende Lagen hinein. Da das wenigstens eine Werkzeug in Bewegungsrichtung hinter der Einbringnadel angeordnet ist, wird beim Bewegen der Einbringnadel nicht nur die bereits vorher in das Stützmaterial eingebrachte Lage des Fertigungsmaterials aufgeschlitzt, aufgerissen oder aufgeschnitten oder auf sonstige Weise bearbeitet, sondern auch die aktuelle eingebrachte Lage.
In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt die Einbringnadel über mehrere Werkzeuge, durch die die oben beschriebenen Effekte und Bearbeitungen der unterschiedlichen Lagen kombiniert werden können. Insbesondere kellenartige, flächige Werkzeuge, die zum Glätten einer Seite des herzustellenden 3-dimensionalen Objektes verwendet werden können, können unterschiedliche Formen aufweisen und sich insbesondere über mehrere der bereits vorher eingebrachten Lagen erstrecken.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das 3-dimensionale Objekt eine orthopädietechnische Einrichtung, insbesondere ein Prothesenliner. Unter einer orthopädietechnischen Einrichtung werden vorliegend insbesondere Orthesen und Prothesen sowie deren Bestandteile sowie Exoskelette zur Unterstützung von Körperteilen verstanden. Auch orthopädische Schuhe, Schuheinlagen und ähnliche Vorrichtungen werden als orthopädietechnische Einrichtungen angesehen.
Bei orthopädietechnischen Einrichtungen werden eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien verwendet, die den unterschiedlichen Anforderungsprofilen der jeweiligen Einrichtung Rechnung tragen. Insbesondere Prothesenschäfte werden heute individuell für den Patienten hergestellt und sind daher für die Verwendung additiven Fertigungsverfahrens besonders geeignet. Die Prothese wird an einem Amputationsstumpf festgelegt und angeordnet. Zur Festlegung existieren unterschiedliche Systeme, wobei ein Befestigungssystem als Vakuumschafttechnologie bekannt ist. Dabei wird im angelegten Zustand das Volumen zwischen dem Amputationsstumpf und der Schaftinnenwand evakuiert. Zur Abdichtung und Abpolsterung kann an dem Stumpf ein Prothesenliner angeordnet sein, der in der Regel ein geschlossenes distales Ende und eine proximale Einstiegsöffnung aufweist und im angelegten Zustand den Stumpf umgibt. Zwischen der Außenseite des Prothesenliner und der Innenseite des Prothesenschaftes wird durch das Einführen des mit dem Liner versorgten Stumpfes ein Volumen gebildet, das evakuiert werden kann, wodurch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Schaft und dem Liner entsteht.
Um eine dauerhafte Befestigung des Prothesenschaftes zu erreichen, ist es notwendig, das Volumen zwischen dem Prothesenliner und dem Prothesenschaft gegenüber der Atmosphäre abzudichten. Dazu sind sogenannte Kappen oder Manschetten vorgesehen, die über den proximalen Rand des Prothesenschaftes gezogen werden und an der Außenseite des Liners oder des Stumpfes anliegen, sodass ein Spalt abgedichtet ist. Alternativ können auch Dichtlippen an der Außenseite des Liners oder der Innenseite des Schaftes angeordnet sein. Durch das Verfahren der hier beschriebenen Art ist es möglich, einen derartigen Liner vollständig oder teilweise mittels des additiven Herstellungsverfahren herzustellen, wobei vorzugsweise auch Dichtlippen und andere Elemente, die am Liner angeordnet sind, im gleichen Herstellungsschritt mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellt werden.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch eine Vorrichtung zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens. Eine solche Vorrichtung verfügt in der Regel über einen Behälter, in dem sich das Stützmaterial befindet und in den die Einbringnadel hineinragt. Die Einbringnadel ist dabei in drei Richtungen, die linear unabhängig voneinander sind, bewegbar und verfügt über wenigstens eine Einbringöffnung, die vorzugsweise am unteren Ende der Einbringnadel angeordnet ist. Durch die Einbringöffnung wird Fertigungsmaterial durch die Einbringnadel in den Behälter und damit in das Stützmaterial eingebracht. Die Einbringnadel verfügt zudem über wenigstens ein Werkzeug, mit dem die Bearbeitung einer sich bereits in dem Stützmaterial befindenden Lage des Fertigungsmaterials möglich ist, wenn durch die Einbringöffnung eine aktuelle Lage von Fertigungsmaterial in das Stützmaterial eingebracht wird.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Werkzeug in Bewegungsrichtung der Einbringnadel vor, neben oder hinter der Einbringnadel positionierbar. Besonders bevorzugt ist das wenigstens eine Werkzeug in vorbestimmten Orientierungen an der Einbringnadel befestigbar. Dazu verfügt das Werkzeug und die Einbringnadel vorzugsweise über jeweils ein Positionierelement, durch das die Orientierungen, in denen die beiden Bauteile aneinander befestigbar sind, festgelegt werden. So kann beispielsweise an einer Außenfläche der Einbringnadel ein Vorsprung und an dem Werkzeug eine entsprechende Vertiefung vorhanden sein, die eine Orientierung der beiden Bauteile zueinander gewährleistet. Verfügt die Einbringnadel über mehrere entsprechende Vorsprünge und/oder das Werkzeug über mehrere entsprechende Vertiefungen, können unterschiedliche Orientierungen erreicht werden. Selbst verständlich kann die Vertiefung auch an der Nadel und der Vorsprung am Werkzeug angeordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich dazu ist das wenigstens eine Werkzeug so an der Einbringnadel angeordnet, dass die Orientierung und/oder Position des Werkzeugs an der Einbringnadel stufenlos verstellbar ist.
Vorzugsweise verfügt die Vorrichtung über wenigstens ein Werkzeug, das einschlägig mit der Einbringnadel oder einem Teil der Einbringnadel ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Einbringnadel um ihre Längsachse drehbar angeordnet, wobei die Vorrichtung bevorzugt wenigstens einen Antrieb zum Drehen der Einbringnadel um ihre Längsachse aufweist. Ein solcher Antrieb kann beispielsweise ein Motor, beispielsweise ein Elektromotor sein. Auf diese Weise ist es möglich, die Orientierung der wenigstens einen Einbringöffnung der Einbringnadel relativ zur Bewegungsrichtung der Einbringnadel zu verändern. So kann-beispielsweise die Bewegungsrichtung der Einbringnadel verändert werden, ohne dass sich die Orientierung der Einbringöffnung relativ zu dieser Bewegungsrichtung ändert. Alternativ dazu kann auch die Orientierung geändert werden, ohne dass sich die Bewegungsrichtung ändert. Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl die Bewegungsrichtung der Einbringnadel als auch die Orientierung der Einbringöffnung relativ zu dieser Bewegungsrichtung zu verändern.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das mindestens eine Werkzeug im unteren Bereich der Einbringnadel, in dem sich auch die Einbringöffnung befindet, angeordnet. Wenn die Einbringnadel um ihre Längsachse über einen Antrieb gedreht werden kann, lässt sich folglich auch die Orientierung des wenigstens einen Werkzeugs relativ zur Bewegungsrichtung der Einbringnadel verändern, wenn dies gewünscht ist. Ebenso ist es möglich, die Orientierung des wenigstens einen Werkzeugs relativ zur Bewegungsrichtung der Einbringnadel beizubehalten, auch wenn sich diese Bewegungsrichtung ändert.
Vorteilhafterweise weist die Einbringnadel ein Strömungsprofil auf, welches die Einbringnadel entlang der Bewegungsrichtung der Einbringnadel ausrichtet. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu einem Antrieb der Fall sein. Wird die Bewegungsrichtung der Einbringnadel verändert, sorgt in diesem Fall das Strömungsprofil dafür, dass sich die Einbringnadel auch um ihre Längsrichtung dreht und sich wieder so ausgerichtet, dass das Strömungsprofil der Einbringnadel bei der neuen Bewegungsrichtung einen minimalen Strömungswiderstand bietet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung verfügt die Einbringnadel über wenigstens ein Ausrichteelement, das von einem Teil der Einbringnadel hervorsteht und beim Bewegen der Einbringnadel diese um ihre Längsachse dreht. Das Ausrichteelement kann Teil des Strömungsprofils sein und wirkt wie ein solches.
Vorteilhafterweise ist das Ausrichteelement und/oder das wenigstens eine werkzeugverstellbar an der Einbringnadel befestigt.
Mithilfe der beiliegenden Zeichnungen werden nachfolgend einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt

1 bis 3 - schematische Darstellungen eines Teils einer Vorrichtung gemäß ersten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung,
4 bis 7 - schematische Darstellungen des Teils der Vorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele,
8 bis 12 - schematische Darstellungen des Teils gemäß weiterer Ausführungsbeispiele in unterschiedlichen Ansichten,
13 bis 15 - schematische Darstellungen des Teils gemäß einer weiteren Ausführungsform in unterschiedlichen Ansichten,
16 und 17 - schematische Darstellungen des Teils gemäß einer weiteren Ausführungsform in unterschiedlichen Ansichten,
18 bis 20 - schematische Darstellungen des Teils gemäß einer weiteren Ausführungsform in unterschiedlichen Ansichten und
21 und 22 - schematische Darstellungen des Teils gemäß einer weiteren Ausführungsform in unterschiedlichen Ansichten.

1 zeigt das Ende einer Einbringnadel 2, die am unteren Ende eine Einbringöffnung 4 aufweist, durch die Fertigungsmaterial 6 in ein nicht dargestelltes Stützmaterial eingebracht wird. Dabei wird eine aktuelle Lage 8 des Fertigungsmaterials 6 auf eine vorhergehende Lage 10 des Fertigungsmaterials 6 aufgebracht. Über eine Manschette 12 ist ein Werkzeug 14 in Form eines Dorns so an der Einbringnadel 2 angeordnet, dass es entlang der Längsrichtung der Einbringnadel 2, die in 1 von oben nach unten verläuft, über die Einbringöffnung 4 hinausragt. In der in 1 gezeigten Darstellung wird die Einbringnadel 2 nach rechts bewegt, sodass die Bewegungsrichtung nach rechts verläuft. Das wenigstens eine Werkzeug 14 ist daher in Bewegungsrichtung hinter der Einbringnadel 2 angeordnet. Es erstreckt sich durch die aktuelle Lage 8 und die vorhergehende Lage 10 des Fertigungsmaterials 6 und bearbeitet so beide Lagen. Im vorliegenden Beispiel werden die beiden Lagen aufgerissen.
2 zeigt schematisch eine Darstellung einer Einbringnadel 2, die am unteren Ende eine Einbringöffnung 4 aufweist. Die Einbringnadel 2 ist um ihre Längsrichtung 16, die durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, drehbar gelagert, dass durch die beiden Pfeile dargestellt wird. Durch die Einbringöffnung 4 wird eine aktuelle Lage 8 des Fertigungsmaterials 6 auf eine vorhergehende Lage 10 aufgebracht. Am unteren Ende der Einbringnadel 2 befindet sich das Werkzeug 14, das in diesem Fall als Wulst 18 ausgebildet ist. Die Bewegungsrichtung der Einbringnadel 2 verläuft in 2 nach links, sodass das Werkzeug 14 in Form der Wulst 18 in Bewegungsrichtung vor der Einbringnadel 2 angeordnet ist. Das Werkzeug 14 in Form der Wulst 18 bearbeitet daher nur die vorhergehende Lage 10 des Fertigungsmaterials 6, was durch einen kleinen dreiecksförmigen Aufsatz auf der vorherigen Lage 10 angedeutet ist.
3 zeigt eine andere Ausgestaltung der Einbringnadel 2 mit ihrer Längsrichtung 16, die ebenfalls um diese Längsrichtung 16 drehbar ist. Auch sie verfügt über die Einbringöffnung 4, in deren Bereich sich das Werkzeug 14 befindet. Auch hier zeigt die Bewegungsrichtung der Einbringnadel 2 nach links, sodass in diesem Fall das Werkzeug 14 in Bewegungsrichtung hinter der Einbringnadel 2 angeordnet ist. Es ragt in 3 nach unten über das Ende der Einbringnadel 2 und insbesondere die Einbringöffnung 4 hinaus und bearbeitet somit die aktuelle Lage 8 als auch die vorhergehende Lage 10 des Fertigungsmaterials 6.
4 und 5 zeigen eine schematische Darstellung einer Einbringnadel 2, die über ein Ausrichteelement 20 verfügen, das mit einer Manschette 12 am unteren Ende der Einbringnadel 2 angeordnet ist. In 5 ist im Vergleich zu 4 dargestellt, dass aus der Einbringöffnung 4 Fertigungsmaterial 6 strömt. Das Ausrichteelement 20 veränderten Strömungsquerschnitt der ansonsten bezüglich der Längsrichtung 16 im gezeigten Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch ausgebildeten Einbringnadel 2. Der Strömungsquerschnitt und damit auch der eine Bewegung der Einbringnadel 2 entgegengesetzte Strömungswiderstand ist nun von der Bewegungsrichtung der Einbringnadel 2 abhängig. Wird die in den 4 und 5 gezeigte Einbringnadel 2 beispielsweise in der dargestellten Ausrichtung nach links bewegt, führt das Ausrichteelement 20 nicht zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes. Wird die Einbringnadel 2 in der gezeigten Ausrichtung jedoch senkrecht zur Zeichenebene bewegt, ist der Strömungswiderstand aufgrund des Ausrichteelements 20 deutlich vergrößert. Da die Einbringnadel 2 jedoch um ihre Längsrichtung 16 drehbar ausgebildet ist, wird der erhöhte Strömungswiderstand durch das Ausrichteelement 20 dazu führen, dass die Einbringnadel 2 sich um ihre Längsrichtung 16 verschwenkt, bis das Ausrichteelement 20 in Bewegungsrichtung hinter der Einbringnadel 2 positioniert ist.
6 zeigt eine Darstellung der Einbringnadel 2, die ein Werkzeug 14 aufweist, dass 2 Schenkel 22 aufweist, die im gezeigten Ausführungsbeispiel nach unten über die Einbringöffnung 4 der Einbringnadel 2 hinausragen. Der Abstand der beiden Schenkel 22 entspricht bevorzugt der Breite der Einbringöffnung 4 und damit der Breite des eingebrachten Strangs aus Fertigungsmaterial 6. Die beiden Schenkel 22 glätten die Seiten des eingebrachten Fertigungsmaterials auf beiden Seiten und sorgen so für eine glattere Oberfläche des hergestellten Objektes sowie einen besseren Kontakt zwischen der aktuellen Lage 8 und der vorhergehenden Lage 10.
7 zeigt eine Ausführungsform der Einbringnadel 2 die einer Kombination der Darstellungen aus 2 und 4 entspricht. Die Einbringnadel 2 verfügt am unteren Ende über das Ausrichteelement 20, dass mittels der Manschette 12 an der Einbringnadel 2 angeordnet ist. Zudem ist über die gleiche Manschette 12 das Werkzeug 14 angeordnet, dass in Form der bereits besprochenen Wulst 18 vorliegt. Durch das Ausrichteelement 20 wird gewährleistet, dass sich dieses beim Bewegen der Einbringnadel 2 in Bewegungsrichtung hinter der Einbringnadel 2 befindet. Da sich die Erstreckungsrichtung der Wulst 18, die sich in 7 nach links erstreckt, und die Erstreckungsrichtung des Ausrichteelements 20, dass sich in 7 nach rechts erstreckt, diametral gegenüber liegen, ist gewährleistet, dass die Wulst 18 in Bewegungsrichtung vor der Einbringnadel 2 angeordnet ist. Die Wulst 18 bearbeitet dabei die vorhergehende Lage 10 des Fertigungsmaterials 6, auf die die aktuelle Lage 8 durch die Einbringnadel 2 aus der Einbringöffnung 4 aufgebracht wird.
Die 8 und 9 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Einbringnadel 2 in unterschiedlichen Ansichten. Auch diese Einbringnadel 2 ist um ihre Längsrichtung 16 drehbar und verfügt an ihrem in den 8 und 9 unteren Ende über eine Einbringöffnung 4. In 8 ist zu erkennen, dass die Einbringnadel 2 im unteren Bereich einen Knick 24 aufweist, sodass die Einbringöffnung 4 anders als bei den Ausführungsformen der bisherigen Figuren nicht nach unten, sondern in 8 nach links geöffnet ist. An dem abgeknickten Teil der Einbringnadel 2 ist das Werkzeug 14 angeordnet, dass über einen Abstandshalter 26 und eine Platte 28 verfügt. Die Platte 28 ist dabei so angeordnet, dass sie mit einem durch den Abstandhalter 26 definierten Abstand vor der Einbringöffnung 4 angeordnet ist. Auch die Platte 28 ragt in 8 nach unten über die Einbringnadel 2 heraus. Bei dieser Ausgestaltung ist es durch einfaches Drehen der Einbringnadel 2 um ihre Längsrichtung 16 möglich, eine kreisförmige Lage aus Fertigungsmaterial herzustellen, deren Außenseite durch die Platte 28 geglättet und mit der Außenseite einer darunterliegenden vorhergehenden Lage aus Fertigungsmaterial gemeinsam bearbeitet wird.
9 zeigt die Einbringnadel 2 aus 8 90° gedreht. Die Blickrichtung entspricht nun einem Blick in die Einbringöffnung 4, vor der die in 9 nicht dargestellte Platte 28 angeordnet ist.
Die 10 und 11 zeigen die Darstellungen aus den 8 und 9, wobei die Einbringnadel 2 nun zusätzlich ein Ausrichteelement 20 aufweist. Dieses ist in der 11 in einer seitlichen Ansicht dargestellt, in der seine großflächige Seite zu sehen ist. 10 zeigt die Darstellung aus 11 um 90° verdreht, sodass auf das Ausrichteelement 20 entlang seiner Kante geblickt wird. Es ist über die Manschette 12 an der Einbringnadel 2 befestigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich der Knick 24 unterhalb der Manschette 12 und damit auch unterhalb des Ausrichteelementes 20. Am unteren Ende der Einbringnadel 2 befindet sich wieder die Einbringöffnung 4 sowie das Werkzeug 14 mit dem Abstandhalter 26 und der Platte 28.
12 zeigt den abgeknickten Teil der Einbringnadel 2 sowie das Ausrichteelement 20 in einer Darstellung von unten.
Die 13 bis 15 zeigen das untere Ende der Einbringnadel 2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Einbringöffnung 4 hat keinen kreisförmigen Querschnitt, sondern der Querschnitt ist tropfenförmig ausgebildet. Durch die längliche Form des Querschnittes wirkt die Einbringnadel 2 selbst als Ausrichteelement, sodass gewährleistet ist, dass sich bei einer Änderung einer Bewegungsrichtung der Einbringnadel 2 diese Einbringnadel 2 um ihre Längsachse dreht. Das Werkzeug 14 ist am spitzen Ende des Querschnittes der Einbringnadel 2 und der Einbringöffnung 4 angeordnet, welches sich bei einer Bewegung der Einbringnadel 2 in Bewegungsrichtung hinten befindet. Das Werkzeug 14 verfügt im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen Haken 30. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Haken 30 in Bewegungsrichtung der Einbringnadel 2 nach vorne gerichtet und bevorzugt so lang, dass er nicht nur in die durch die Einbringöffnung 4 austretende aktuelle Lage des Fertigungsmaterials, sondern auch in die darunterliegende vorhergehende Lage hineinragt.
In den 16 und 17 ist das Ende der Einbringnadel 2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Während 16 eine schematische dreidimensionale Ansicht zeigt, zeigt 17 eine Ansicht entlang der Längsachse der Einbringnadel 2 in die Einbringöffnung 4 hinein. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist die Einbringöffnung 4 tropfenförmig ausgebildet, sodass die Form der Einbringnadel 2 bereits als Ausrichteelement wirkt. Am hinteren Ende der Einbringöffnung 4 befindet sich das Werkzeug 14 mit dem Haken 30, wie dies in den 13 bis 15 dargestellt ist. Zusätzlich dazu verfügt die gezeigte Ausführungsform über ein weiteres Werkzeug 14 in Form zweier Schenkel 22, die entlang der Längsrichtung der Einbringnadel 2 über die Einbringöffnung 4 hinausragen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ragen diese Schenkel 22 auch über den Haken 30 hinaus. In 17 ist zu erkennen, dass die Schenkel 22 parallel zueinander ausgerichtet sind und nicht der Tropfenform der Einbringöffnung 4 folgen. Sie glätten vielmehr die Seitenflächen der aktuellen Lage 8 und zumindest einer darunterliegenden vorhergehenden Lage 10.
Entlang der Längsrichtung der Einbringöffnung 4, also vom breiten Ende der Einbringöffnung 4 zum spitzen Ende der Einbringöffnung 4 erstrecken sich die Schenkel nicht bis zum Haken 30. Vielmehr enden sie in dieser Richtung vor dem Haken 30.
Dies ist anders in dem in 18 bis 20 dargestellten Ausführungsbeispiel der Einbringnadel 2. Die tropfenförmig der Einbringöffnung 4 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel vorhanden und an ihrem spitzen Ende befindet sich der Haken 30. Auch diese Ausführungsform verfügt über ein weiteres Werkzeug in Form zweier Schenkel 22, die an den beiden Seiten der Einbringnadel 2 und damit beidseitig der Einbringöffnung 4 angeordnet sind. Die Schenkel 22 erstrecken sich entlang der Längsrichtung der Einbringnadel 2 über die Einbringöffnung 4 und im gezeigten Ausführungsbeispiel auch über den Haken 30 hinaus. Sie sind parallel zueinander ausgerichtet und glätten die aktuelle Lage und wenigstens eine darunterliegende vorhergehende Lage, sodass eine möglichst ebene Objektoberfläche des herzustellenden Objektes entsteht. In dem in den 18 bis 20 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Schenkel 22 entlang der Längsrichtung der Einbringöffnung 4 länger ausgebildet und tragen in Bewegungsrichtung der Einbringnadel 2 über die Einbringnadel 2 und den Haken 30 hinaus. Dies hat den Vorteil, dass die durch den Haken 30 entstehenden Unregelmäßigkeiten in der aktuellen Lage 8 und der vorhergehenden Lage 10 nicht zu unebenen Objektoberflächen führen können, da der Haken 30 oder ein anderes an dieser Stelle angeordnetes Werkzeug 14 in die jeweiligen Lagen 8, 10 hineinragt, während sich diese Lagen 8, 10 zwischen den beiden Schenkeln 22 befinden.
Die 21 und 22 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Einbringnadel 2. Auch diese verfügt über die tropfenförmige Einbringöffnung 4, an deren spitzem Ende sich jedoch in diesem Ausführungsbeispiel kein Werkzeug befindet. Vielmehr verfügt die Einbringnadel 2 in diesem Ausführungsbeispiel lediglich über das Werkzeug in Form der beiden Schenkel 22, die entlang der Längsrichtung der Einbringöffnung 4 leicht über die Einbringnadel 2 hinausragen.
Bezugszeichenliste:

2: Einbringnadel
4: Einbringöffnung
6: Fertigungsmaterial
8: aktuelle Lage
10: vorhergehende Lage
12: Manschette
14: Werkzeug
16: Längsrichtung
18: Wulst
20: Ausrichteelement
22: Schenkel
24: Knick
26: Abstandhalter
28: Platte
30: Haken

Claims

Verfahren zum Herstellen eines 3-dimensionalen Objektes mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, bei dem aus wenigstens einer Einbringöffnung einer Einbringnadel wenigstens ein Fertigungsmaterial in einem fließfähigen Zustand in ein Stützmaterial eingebracht wird und danach aushärtet, wobei das Fertigungsmaterial in mehreren Lagen nacheinander eingebracht wird, wobei die Einbringnadel eine Längserstreckung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringnadel wenigstens ein Werkzeug aufweist, durch das beim Einbringen einer aktuellen Lage des Fertigungsmaterials wenigstens eine vorhergehende Lage bearbeitet wird und das entlang der Längserstreckung über die Einbringöffnung der Einbringnadel herausragt, wobei das wenigstens eine Werkzeug in Bewegungsrichtung hinter der Einbringöffnung angeordnet ist und in die aktuelle Lage und in die vorhergehende Lage hineinragt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Werkzeug beim Einbringen der aktuellen Lage in wenigstens eine vorhergehende Lage hineinragt, wobei das wenigstens eine Werkzeug bevorzugt in Bewegungsrichtung der Einbringnadel vor der Einbringnadel angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Werkzeug die aktuelle Lage und wenigstens eine vorhergehende Lage vermischt, glättet und/oder aneinander drückt, wobei das wenigstens eine Werkzeug bevorzugt in Bewegungsrichtung der Einbringnadel neben der Einbringnadel angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3-dimensionale Objekt eine orthopädietechnische Einrichtung, insbesondere ein Prothesenliner ist.
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, die eine Einbringnadel mit einer Längserstreckung und einer Einbringöffnung zum Einbringen eines Fertigungsmaterials aufweist, wobei die Einbringnadel wenigstens ein Werkzeug aufweist, durch das beim Einbringen einer aktuellen Lage des Fertigungsmaterials wenigstens eine vorhergehende Lage bearbeitet wird und das entlang der Längserstreckung über die Einbringöffnung der Einbringnadel herausragt, wobei das wenigstens eine Werkzeug in Bewegungsrichtung hinter der Einbringöffnung angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Werkzeug in Bewegungsrichtung der Einbringnadel vor, neben oder hinter der Einbringnadel angeordnet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Werkzeug einstückig mit zumindest einem Teil der Einbringnadel, bevorzugt mit der Einbringnadel, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringnadel um ihre Längsachse drehbar angeordnet ist, wobei die Vorrichtung bevorzugt wenigstens einen Antrieb zum Drehen der Einbringnadel um ihre Längsachse aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringnadel ein Strömungsprofil aufweist, das die Einbringnadel entlang der Bewegungsrichtung der Einbringnadel ausrichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringnadel wenigstens ein Ausrichteelement aufweist, das von einem Teil der Einbringnadel hervorsteht und beim Bewegen der Einbringnadel diese um ihre Längs achse dreht.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichteelement und/oder das wenigstens eine Werkzeug verstellbar an der Einbringnadel befestigt ist.