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Die Erfindung betrifft eine Verdichterrolle zum Verdichten eines pulverförmigen Grundmaterials während eines additiven Fertigungpsrozesses, mit einer Rotationsachse und einer Mantelfläche. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur additiven Fertigung.
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Verdichterrollen, die auch als Recoater bezeichnet werden können, sind Standardbauteile bei der additiven Fertigung, beispielsweise also beim 3D-Druck. Mit Hilfe solcher Fertigungsverfahren können Bauteile aus Kunststoff, aber auch aus Metall hergestellt werden. Ein gängiges Verfahren ist dabei das so genannte „Binder Jetting Verfahren“, bei dem ein pulverförmiges Ausgangsmaterial bzw. Grundmaterial an ausgewählten Stellen mit einem Binder verklebt wird, um so Werkstücke zu erzeugen. Die Werkstücke werden dabei schichtweise aufgebaut. Aus 3D-Daten (zum Beispiel CAD-Daten) wird die zu erzeugende Geometrie jeder einzelnen Schicht berechnet. Es wird dann jeweils eine Pulver- oder Granulatschicht aufgebracht, woraufhin an den berechneten Stellen dann, beispielsweise mit einem Druckkopf, der Binder aufgebracht wird, so dass an diesen Stellen die Teilchen des Ausgangsmaterials eine Bindung miteinander eingehen. Im Regelfall wird dann die Unterlage, beispielsweise also die Bauplattform, auf der das Werkstück hergestellt wird, abgesenkt, so dass die nächste Schicht aufgetragen werden kann. Das Grundmaterial, das nicht mit dem Binder versehen wurde und somit weiterhin pulver-bzw. granulatförmig vorliegt, wird entfernt, so dass am Ende das gewünschte dreidimensionale Werkstück verbleibt.
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Es ist üblich, dass die einzelnen Schichten des Grundmaterials von einer Spendereinheit aufgetragen werden, indem das Grundmaterial vor eine sich horizontal bewegende Verdichterrolle gegeben wird, welche dann eine Transversalbewegung über die Bauplattform ausführt und dabei das Grundmaterial verteilt und verdichtet. Die Verdichterrolle führt dabei zusätzlich eine zu der Transversalbewegung gegenläufige Drehbewegung aus. Das so entstehende Bauteil wird auch als Grünteil bezeichnet und zeichnet sich insbesondere für aus Metall bestehende Bauteile durch eine begrenzte Festigkeit aus, da es lediglich durch den aufgebrachten Binder zusammengehalten wird. Bevor die Bauteile aus dem Pulverbett entnommen werden können, muss der Binder in einem sogenannten Curing-Prozess thermisch aktiviert und ausgehärtet werden. Im weiteren Verlauf des Herstellungsprozesses wird das Bauteil gesintert, so dass der Binder herausgebrannt wird und die Pulverpartikel in der gewünschten Form des Bauteils zusammen sintern, bis eine möglichst hohe Dichte erreicht ist.
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Bei solchen additiven Fertigungsverfahren können verschiedene Schwierigkeiten auftreten. So sind teilweise die Porosität und Oberflächenrauheit der hergestellten Bauteile recht ausgeprägt, sodass die Bauteile bestimmte Qualitätsstandards nicht erfüllen. Ebenfalls zeigen die Grünteile nach dem Sintern einen anisotropen Schrumpf in X-, Y- und Z-Richtung. Dieser Schrumpf rührt aus der geringeren Pulverbettdichte zwischen den einzelnen aufgetragenen Pulverschichten in Z-Richtung, mit anderen Worten also in vertikaler Richtung, sowie aus der Binderschicht zwischen den in Z-Richtung aufgerakelten Pulverschichten her. Die Pulverbettdichte kann über den Bauraum hinweg variieren. Da die mechanischen Eigenschaften des Sinterteils von den Grünteildichten abhängig sind, ist eine homogene und hohe Verdichtung wünschenswert oder sogar erforderlich.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
WO 2019/231748 A1 eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, die eine Verdichterrolle aufweist, deren Oberfläche profiliert ist. Die Profilierung kann helixförmige, um die Verdichterrolle umlaufende Erhebungen umfassen oder ein punktförmiges Muster aufweisen. Auf diese Weise sollen von der Verdichterrolle auf das Pulverbett ausgeübte Reibungs- und Scherkräfte erhöht werden.
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Die
WO 2019/133099 A1 beschreibt ebenfalls eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, bei der eine zweistufige Verdichtungsvorrichtung mit zwei separaten Verdichterrollen eingesetzt wird. Die erste Verdichterrolle vermittelt eine Vorkompaktierung des Pulverbetts, und die zweite Verdichterrolle verdichtet das Pulverbett dann noch einmal zusätzlich. Hierzu befindet sich die zweite Verdichterrolle in einer niedrigeren Position als die erste Verdichterrolle.
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Aus der
DE 10 2016 211 949 A1 ist eine zu der vorgenannten Vorrichtung ähnliche Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einer Beschichtungseinheit bekannt, die zumindest zwei in einer ersten Richtung voneinander beabstandete und sich in einer zweiten Richtung quer zu der ersten Richtung erstreckende Beschichtungswalzen aufweist. Die Beschichtungswalzen entsprechen dabei den Verdichterrollen und führen ebenfalls eine zweistufige Kompaktierung des Pulverbetts durch.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Beispiele zeichnen sich durch einen relativ hohen konstruktiven Aufwand, entweder bei der Strukturierung der Oberflächen der Verdichterrollen oder bei der Herstellung der gesamten Anlage, aus. Insbesondere kann ohne weiteres keine herkömmliche Anlage mit einer zweiten Verdichterrolle nachgerüstet werden, sodass die gesamte Vorrichtung bzw. zumindest die Auftragseinheit vollständig neu konstruiert werden muss. Darüber hinaus besteht das Risiko, dass bei eine profilierten Oberfläche der Verdichterrolle ein ungewünschtes Einprägen dieses Profils in das Pulverbett auftritt. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdichterrolle und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass bei geringem konstruktiven Aufwand, guter Nachrüstbarkeit und somit auch geringen Kosten eine zuverlässige und effektive Steigerung der Verdichtung des Pulverbetts erreicht wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine solche Vorrichtung gelöst, bei der ein Radius der Verdichterrolle durch eine Radiusfunktion beschrieben werden kann, die von einer Winkelkoordinate um die Rotationsachse abhängt, und die einen im Wesentlichen konstanten Wert r aufweist, wobei der Wert in Abhängigkeit von der Winkelkoordinate um zumindest 0,075%, bevorzugt um 0,1 %, besonders bevorzugt um 0,2%, variiert. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit einer solchen Verdichterrolle. Die Winkelkoordinate, von der die Radiusfunktion abhängt, entspricht dabei der Winkelkoordinate in gebräuchlichen Zylinderkoordinaten.
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Darunter, dass ein Wert konstant oder variabel ist, ist im Rahmen der vorliegenden Beschreibung jeweils insbesondere zu verstehen, dass der Wert im Rahmen der Fertigungsgenauigkeit konstant bzw. variabel ist. Eine Verdichterrolle mit Schwankungen in den Werten der Radiusfunktion, die aus produktionstechnischen Gründen nicht verringert werden können, wird in diesem Zusammenhang dann als Verdichterrolle mit konstantem Radius angesehen.
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Die erfindungsgemäße Verdichterrolle weist also eine Unwucht auf, die bewirkt, dass die Verdichterrolle das Pulverbett während eines einzelnen Umlaufs unterschiedlich stark verdichtet. Durch eine ausreichend hohe Drehzahl der Verdichterrolle wird dabei erreicht, dass insgesamt dennoch jeder Bereich des Pulverbetts gleich stark verdichtet wird. Die gesamte Verdichtung kann auf diese Weise erhöht werden. Die Unwucht kann derart ausgestaltet sein, dass sich für die Verdichterrolle die Form einer Nockenwelle ergibt. Dabei ist die Abweichung von einer vollständig rotationssymmetrischen Zylinderform aber sehr gering und um ein vielfaches kleiner als bei einer aus der Ventiltechnik bekannten Nockenwelle. Während des Fertigungsprozesses taucht die Unwucht mit jeder Umdrehung etwas stärker in das Pulverbett ein als der restliche Teil der Verdichterrolle, sodass eine zusätzliche Verdichtung generiert wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Radiusfunktion über die Länge der Rotationsachse konstant ist. Mit anderen Worten hat die Verdichterrolle dann die Form eines Prismas. Jeder Querschnitt entlang der Rotationsachse hat dann die gleiche Form. Der Abstand der Mantelfläche von der Rotationsachse erhängt dann also nicht von einer Position entlang der Rotationsachse sondern lediglich von der Winkelkoordinate ab.
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Gemäß einer speziellen Ausgestaltung weist die Radiusfunktion in einem ersten Winkelbereich, der zumindest 180° umfasst, einen konstanten Wert auf. Mit anderen Worten ist dann zumindest eine Hälfte der Verdichterrolle exakt zylinderförmig. Die andere Seite weist entsprechend eine über den Grundradius hinausgehende Unwucht auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Radiusfunktion in einem Winkelbereich, der zumindest 90°, bevorzugt zumindest 120° und besonders bevorzugt zumindest 150° umfasst, einen von r abweichenden Wert auf. Der Wert r kann dabei auch als Grundradius oder als Grundwert der Radiusfunktion bezeichnet werden. Die beschriebene Ausgestaltung ermöglicht eine besonders stetige Änderung der Radiusfunktion ohne Sprünge oder steile Anstiege. Wenn die Abweichung vom Grundwert hingegen auf einen kleineren Winkelbereich beschränkt ist nähert sich die Form des Querschnitts einem Kreis mit einer aufgesetzten Kante oder Ecke, was nachteilig sein kann.
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Um eine effiziente Steigerung der Verdichtung zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn eine Differenz zwischen dem Maximum der Radiusfunktion und dem Grundradius zumindest 30 |jm, bevorzugt zumindest 100 µm und besonders bevorzugt zumindest 200 µm beträgt. Gleichzeitig kann vorgesehen sein, dass Differenz zwischen dem Maximum der Radiusfunktion und dem Grundradius weniger als 1 mm, weniger als 750 µm oder weniger als 500 µm beträgt.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann das Maximum der Radiusfunktion weniger als 1 %, weniger als 0,75 % oder weniger als 0,5 % von dem Grundwert r der Radiusfunktion abweichen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Radiusfunktion in einem ersten Winkelbereich, in dem die Winkelkoordinate zwischen 0° und 180° liegt, und in einem zweiten Winkelbereich, in dem die Winkelkoordinate zwischen 180° und 360° liegt, im Wesentlichen den gleichen Verlauf auf. Die resultierende Verdichterrolle weist dann zwei gleichartige Unwuchten auf, wobei die erste Unwucht bezogen auf die Rotationsachse gegenüber der zweiten Unwucht angeordnet ist. Auf diese Weise kann die notwendige Rotationsgeschwindigkeit der Verdichterrolle reduziert werden.
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Es ist natürlich auch möglich, dass die Mantelfläche eine Profilierung aufweist. Es können so verschiedene die Verdichtung des Pulverbetts verbessernde Effekte kombiniert werden.
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Eine Vorrichtung zur additiven Fertigung kann auf einfache Art und Weise mit einer weiter oben beschriebenen Verdichterrolle ausgestattet oder nachgerüstet werden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Fertigung kann eine Steuerungseinheit aufweisen, die eine transversale Bewegung der Verdichterrolle mit einer Transversalgeschwindigkeit sowie eine Rotationsbewegung der Verdichterrolle mit einer Rotationsgeschwindigkeit steuert, wobei die Rotationsgeschwindigkeit bei zumindest 15 Umdrehungen pro Sekunde, bevorzugt bei zumindest 25 Umdrehungen pro Sekunde und besonders bevorzugt bei zumindest 40 Umdrehungen pro Sekunde liegt. Durch die Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen kann eine bessere und gleichmäßigere Kompaktierung erreicht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1: eine Verdichterrolle gemäß Stand der Technik in einer schematischen Seitenansicht,
- 2: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verdichterrolle in einer schematischen Seitenansicht, und
- 3: eine weitere Darstellung des Ausführungsbeispiels aus 2.
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1 zeigt eine Verdichterrolle 102 gemäß Stand der Technik in einer schematischen Seitenansicht. Die Verdichterrolle 102 ist zylindrisch ausgestaltet, sodass der dargestellte Querschnitt kreisrund ist und einen konstanten Radius r0 aufweist. Die Verdichterrolle 102 führt eine Translationsbewegung 108 und gleichzeitig eine Rotationsbewegung 110 um die Rotationsachse 112 aus. Da der Abstand in vertikaler Richtung zwischen der Verdichterrolle 102 und dem nicht dargestellten Untergrund, auf dem das Pulverbett 106 aufliegt, mechanisch festgelegt ist, übt die Verdichterrolle 102 eine senkrecht nach unten wirkende Kraft auf das aus den Pulverteilchen 104 bestehende Pulverbett 106 aus, so das dieses kompaktiert wird.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verdichterrolle 2 in einer schematischen Seitenansicht. Abweichend von der Verdichterrolle gemäß Stand der Technik ist die Verdichterrolle 2 nicht vollständig zylindrisch ausgestaltet, sondern weist eine Unwucht 14 auf, die über den Grundradius r herausragt. Die Verdichterrolle 2 hat daher einen leicht ellipsenförmigem Querschnitt. Auch die erfindungsgemäße Verdichterrolle 2 führt im Betrieb eine Translationsbewegung 8 und eine Rotationsbewegung 10 um die Rotationsachse 12 aus, um das aus den Pulverpartikel 6 bestehende Pulverbett 4 zu komprimieren. Es wird deutlich, dass aufgrund der Unwucht 14 situativ eine stärkere Kraft nach unten auf die einzelnen Pulverpartikel 4 wirkt, sodass das Pulverbett 6 insgesamt stärker komprimiert wird als im in 1 dargestellten Beispiel gemäß Stand der Technik.
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3 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 2, in dem zusätzlich noch die Winkelbereiche α und β eingezeichnet sind. Sowohl der Winkelbereich α als auch der Winkelbereich β umfassen dabei genau 180°, sodass sie die Verdichterrolle 2 in zwei Hälften 16, 18 aufteilen. Die erste Hälfte 16 umfasst dabei einen Winkel von 0° bis 180° und die zweite Hälfte 18 umfasst den Winkel von 180° bis 360°. Die Unwucht 14 ist dabei an der ersten Hälfte 16 angeordnet, wohingegen die zweite Hälfte 18 ein konstanten Radius r aufweist und somit kreisrund ist. In der ersten Hälfte 16 hat die Verdichterrolle 2 den Radius r+δr, wobei δr abhängig vom Winkel α ist. Die Radiusfunktion r(α) = r0 + δr(α) beschrieben wird.
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Je nach Ausführungsform kann der Winkel α auch weniger als 180°, beispielsweise 90° oder 120°, betragen. Die Unwucht 14 hat dann entsprechend eine kleinere Ausdehnung in Richtung der Winkelkoordinate.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Verdichterrolle
- 4
- Pulverbett
- 6
- Pulverpartikel
- 8
- Translationsbewegung
- 10
- Rotationsbewegung
- 12
- Rotationsachse
- 14
- Unwucht
- 16
- erste Hälfte
- 18
- zweite Hälfte
- r
- Radius
- 102
- Verdichterrolle
- 104
- Pulverbett
- 106
- Pulverpartikel
- 108
- Translationsbewegung
- 110
- Rotationsbewegung
- 112
- Rotationsachse
- α
- erster Winkelbereich
- β
- zweiter Winkelbereich
- ro
- Grundradius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2019/231748 A1 [0005]
- WO 2019/133099 A1 [0006]
- DE 102016211949 A1 [0007]
