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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils gemäß Anspruch 7.
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Stand der Technik
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Bei der additiven Fertigung bzw. beim 3D-Drucken werden flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut. Beispielsweise können thermoplastische Werkstoffe, insbesondere thermoplastische Kunststoffe, eingesetzt werden, die durch Erhitzen zunächst verflüssigt werden. Der flüssige Werkstoff wird dann selektiv auf Stellen aufgebracht, an denen das Werkstück entstehen soll. Mit dem Abkühlen verfestigt sich der Werkstoff wieder.
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Eine solche Vorrichtung umfasst einen Druckkopf, in dem das Ausgangsmaterial druckfertig aufbereitet wird. Weiterhin sind Achssysteme zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, bekannt. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.
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Einige thermoplastische Werkstoffe neigen dazu, beim Abkühlen zu schwinden. Das Schwinden führt zu abweichenden Abmessungen des fertigen Werkstücks. Um dem entgegenzuwirken, sind sogenannte 3D-Drucker mit beheizbaren Baukammern bekannt, so dass eine möglichst konstante Temperierung der Baukammer während des Druckvorgangs möglich ist. Dabei gibt es Elemente, die beispielsweise in die Baukammer ragen können und dadurch das Temperaturgefüge verändern. Insbesondere wenn diese Elemente nicht temperiert sind, können Kältebrücken entstehen, wodurch eine ungleichmäßige Temperierung der Baukammer resultiert und es zu einem thermischen Verzug in dem zu fertigenden Werkstück, bzw. des Bauteils führen kann. Ein fehlerfreier Aufbau des herzustellenden Werkstücks, bzw. Bauteils, ist somit durch den entstandenen thermischen Verzug nicht möglich.
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Da Luft ein schlechter Wärmeleiter ist und eine sehr niedrige Wärmekapazität aufweist, entstehen hohe Heizkosten und es erfordert eine aufwändige Isolation der Baukammer, um einen Kälteeintrag zu verhindern und eine homogene Temperaturführung zu gewährleisten.
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Es ist auch bekannt hoch isolierte Baukammern mit einer Umluft Heizung, beispielsweise unterstützt durch eine Stickstoffatmosphäre einzusetzen. Diese Stickstoffatmosphäre, soll eine Korrosion des Baumaterials verhindern. Weiter ist bekannt Infrarotstrahlung oder andere Heizmedien zu verwenden. Die Homogenisierung der Luft erfolgt dabei meist durch ein Umluftgebläse. Dennoch ist dadurch selten eine komplett homogene Temperierung in der Baukammer erreichbar. Beispielsweise, weil die Druckköpfe in die Baukammer hineinragen und dadurch die Isolation zwischen den sich bewegenden Achsen und der stehenden Baukammer sehr komplex wird.
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Mit den bekannten Lösungen ist es zwar möglich die Baukammerumgebung so zu temperieren, dass nur ein minimaler Bauteilverzug stattfindet, es ist jedoch nicht möglich, dabei ausreichend Energie abzuführen, um auch hohe Druckgeschwindigkeiten zu erreichen. Ferner muss dabei immer ein Kompromiss zwischen der Abkühlrate der frisch aufgebrachten Schicht und der Temperatur der gerade extrudierten Masse eingegangen werden. Dabei stellt sich heraus, dass die abgeführte Energie häufig nicht ausreicht, dass sich das Substrat sauber auf die Untergrundmaterialien, bzw. Schichten ablegen kann. Daher ist es unter Umständen erforderlich, dass gegen die erzielten Bemühungen zur Erreichung der Temperaturhomogenität zusätzlich noch eine Kühleinrichtung angebracht werden muss, welche beispielsweise direkt auf das abgelegte Substrat bläst. Dadurch wird die Temperatur der Extrudierten Masse stark angehoben oder der Bauraum wird sehr heiß.
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Ferner ist es von Nachteil, dass die erforderliche Kühleinrichtung die homogene Luft verwirbelt und sich dadurch zwangsweise Turbulenzen bilden. Häufig resultiert dadurch auch ein ungeregeltes Temperieren der ausgebrachten Schicht.
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Ferner ist das Kühlen mit Kaltluft bekannt. Diese ist prozesstechnisch schwierig zu führen und wird daher in der Regel eher zu kalt eingestellt, was wiederum zur Indizierung von Spannungen führen kann. Beispielsweise dadurch, dass kalte Luft das Material schnell abkühlen lässt, wodurch sich feine Kristalle bilden, diese durch die nächsten Druckschichten wieder aufschmelzen und dabei langsam zu großen Kristallen abkühlen. Dadurch entstehen unterschiedliche Schwindungen, abhängig von der Geometrie und der Baugeschwindigkeit. Zudem ist auch nachteilig, dass eine verminderte Haftung der Schichten entstehen kann, wenn die extrudierte Masse die ausgebrachte untere Schicht nicht ausreichend aufschmelzen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die additive Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem thermoplastischen Werkstoff effizienter und präziser macht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks gemäß Anspruch 7 erfüllt.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigförmigen Substrat umfasst eine Baukammer, zumindest einen Druckkopf mit einer Drucköffnung zum Austragen des Substrats, eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks und eine Verstellvorrichtung, wobei die Verstellvorrichtung ein x-y-Achssystem mit einer Druckkopfaufnahme und ein unterhalb der Aufnahmevorrichtung angeordnetes z-Achssystem umfasst.
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Erfindungsgemäß ist die Baukammer während eines Fertigungsprozesses derart mit einem flüssigförmigen Fluid befüllt, dass das Werkstück bis auf seine oberste Schicht unterhalb eines Oberflächenpegels des flüssigförmigen Fluides angeordnet ist und der Druckkopf mit der Drucköffnung zum Austragen des Substrats stets oberhalb des Oberflächenpegels des flüssigförmigen Fluides angeordnet sind.
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Die Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks ist auch als 3D-Drucker, bzw. Drucker bekannt.
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Der Druckkopf taucht somit nicht in das Fluid ein, sondern der Oberflächenpegel des Fluides wird so eingestellt, dass dieser minimal unterhalb der zu druckenden Schicht ist.
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Besonders vorteilhaft an dieser Ausführung ist, dass keine Konvektion der Drucköffnung, bzw. der Düse in das Fluid stattfindet und der Druckkopf muss nicht isoliert werden.
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Auch wenn der Druckkopf mit hoher Geschwindigkeiten druckt, entstehen keine Strömungen und Turbulenzen, da der Druckkopf das Fluid nicht bewegt. Der Druckkopf erfährt durch das Fluid auch keinen Widerstand.
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Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist, dass kein Fluid in die innere Strukturen des gedruckten Werkstücks eindringt welche nicht mit der Außenstruktur verbunden sind. Zum Beispiel kann in einen Würfel der innen hohl ist, kein Fluid in die Innenseite eindringen. Dies kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn die innere Struktur mit einem anderen Material gefüllt werden soll, oder ein Entleeren der gefertigten Struktur nicht gewünscht ist.
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Durch das Einbringen des Werkstücks in ein flüssigförmiges Fluid, bzw. einer Flüssigkeit oder einer Masse welche sich fluidähnlich verhält, kann in vorteilhafter Weise mit einem viel höheren Wärmeübergangskoeffizienten gearbeitet werden. Zudem unterstützt die hohe Wärmeleitung, bzw. die hohe Wärmeleitfähigkeit ein Erreichen einer Temperaturhomogenität. Gleichzeitig kann in der Flüssigkeit in vorteilhafter Weise eine homogenere Temperatur durch Umwälzung hergestellt werden.
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Vor diesem Hintergrund kann die Temperatur der Flüssigkeit in vorteilhafter Weise niedriger liegen als zum Beispiel die der im Stand der Technik bekannten Temperaturen einer Luftheizung. Bei Luft muss mit einer deutlich höheren Temperatur (als der Temperatur welche am Bauteil erzielt werden soll) gearbeitet werden. Dies ist erforderlich, um in einer vertretbaren Zeit, die Zieltemperatur im Bauteil zu erreichen. Jedoch führt das im Stand der Technik häufig dazu, dass sich Hotspots bilden oder, dass aufgrund von Prozesseinflüssen Bauteile länger in der Baukammer verbleiben und dabei überhitzen. Eine Überhitzung kann zu Schädigung des Materials und dadurch zu Verlust der Geometrie führen. Zudem erhöht dies die Alterung des Bauteilmaterials.
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Die Erfindung sorgt in vorteilhafter Weise dazu, dass die Temperatur des flüssigförmigen Fluides nur wenige Kelvin über der optimalen Temperatur für den Prozess liegen muss, um sicherzustellen, dass die erforderliche Temperatur an den eingetauchten Punkten des Bauteils anliegt. Dadurch wird erreicht, dass sich bei der Fertigung jeder eingetauchten Schicht, sich diese jeweils sehr schnell auf die Temperatur der Flüssigkeit abkühlt. Die Schicht bleibt dabei aber in vorteilhafter Weise oberhalb der Temperatur, welche zu Spannungen, Haftungsminderung und übermäßigen Verzug im Bauteil führen würde. Die Zieltemperatur entspricht in der Regel ungefähr dem des Tg-Punkts des Materials. Tg steht für dabei für den Transformationsbereich, bzw. die Glasübergangstemperatur von Glas und Kunststoffen.
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Der wesentliche Kern der Erfindung ist, dass Erreichen eines schnellstmöglichen Abkühlens des ausgebrachten Substrats, bzw. des Kunststoffes auf eine optimal einstellbare Temperatur. Dies wird in vorteilhafter Weise durch die hohe Konvektion ermöglicht, aufgrund der hohen Wärmekapazität und Wärmeleitung des umgebenden Materials.
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In vorteilhafter Weise fällt die Isolation der Baukammer deutlich einfacher aus. Durch die erfindungsgemäße Umsetzung sind kalte Nester nahezu ausgeschlossen genauso wie eine Überhitzung. Die Isolation zu dem einen oder den sich bewegenden Druckköpfen kann deutlich einfacher gestaltet werden, da eine Abstrahlung der Wärmeenergie aus dem flüssigförmigen Fluid im Verhältnis zur Wärmeenergie des Substrats nicht so kritisch ist. dies ermöglicht beispielsweise auch Mehrachssysteme mit mehreren Druckköpfen.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass auf eine zusätzliche Kühlung des Substrates verzichtet werden kann, wodurch grundsätzlich erst eine homogene Temperaturführung ermöglicht wird.
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Durch die hohe Wärmekapazität des Fluides ist ein Dauerbetrieb, auch aus Sicht der Energiebilanz, deutlich effizienter.
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Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit eines Wiedereinstiegs in eine neue Fertigung eines neuen Bauteils, nachdem das alte Bauteil aus dem Drucker entnommen wurde. Dieser Wiedereinstieg ist durch die Erfindung deutlich schneller zu realisieren, da die Baukammer nicht erst wieder, wie bei einer Luftheizung, homogenisiert werden muss, da nach einem Bauteilwechsel die Luft mit Kaltluft kontaminiert wurde.
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Zudem kann das flüssigförmige Fluid aufbereitet und wiederverwendet werden und zum Beispiel in einem Kreislauf zirkulieren.
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Das Drucken von Überhängen wird durch die tragende Struktur der Flüssigkeit unterstützt. Somit ist es möglich Geometrien herzustellen, die weiter auskragen als in einer luftgefüllten Baukammer. Dadurch wird die Notwendigkeit von Supportmaterial und unterstützenden Strukturen verringert, oder macht dieses gänzlich überflüssig.
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Die Nachteile der bekannten Lösungen, wie beispielsweise dem begrenzenden Faktor der Geschwindigkeit bei der Auskühlung des aufgebrachten Kunststoffsubstrates bzw. das sich ergebende Gleichgewicht zwischen der Temperatur (Wärmeenergie) der aufgebrachten Schicht und der Temperatur (Wärmeenergie) der extrudierten Masse werden durch die Erfindung annähernd ausgeräumt. Dieser Faktor ändert sich beim Stand der Technik aufgrund der Geometrie und der damit verbundenen Masseanhäufung, wodurch Schwankungen im Prozess entstehen, welche sich nachteilig auf die Bauteilqualität auswirken.
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Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der umgebenden Flüssigkeit, kühlt das Substrat in vorteilhafter Weise nahezu gleich schnell ab, als gebe es die geometrisch begründete Masseanhäufung nicht. Das verringert deutlich die Schwankungen im Prozess und erhöht dadurch nachhaltig die Bauteilqualität.
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Durch die erfindungsgemäße Umsetzung der Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks und der dadurch resultierenden Steigerung der Wärmeleitung bzw. Haltung des Mediums in das Bauteil, können in vorteilhafter Weise deutlich mehr Materialien gedruckt werden, welche sonst kein entsprechendes Prozessfenster aufweisen würden, wie beispielsweise PA6.6, PPA, PES, usw...
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Das flüssigförmige Fluid zeigt die effektivsten Eigenschaften, beispielsweise bzgl. der sehr hohen Wärmekapazität und Wärmeleitung, wenn als flüssigförmiges Fluid niederschmelzende Metalle und ihre Legierungen zum Einsatz kommen.
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Durch die Verwendung von entsprechenden flüssigen Materialien wie zum Beispiel Loten, ist es möglich die Aufbaurate in vorteilhafter Weise deutlich zu erhöhen. Darüber hinaus erhöht sich die Genauigkeit durch die Verringerung des Verzuges, ohne die normal erwartbare Verringerung der Haftung zwischen den Schichten.
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Als besonders vorteilhaft haben sich folgende Fluide erwiesen:
- • Indium-Bismut-Eutektikum: 66,7ln 33,3Bi Schmelztemperatur: ca. 72 °C,
- • Fieldsches Metall: 51ln 32,5Bi 16,5Sn Schmelztemperatur: ca. 62°C,
- • Woodsches Metall / Woodsche Legierung: 50Bi 25Pb 12,5Cd 12,5Sn Schmelzintervall: ca. 70-74°C,
- • Roses Metall: 50Bi 25Pb 25Sn Schmelzintervall: ca. 93-96°C,
- • Bismut-Zinn-Eutektikum: 58Bi 42Sn Schmelztemperatur: ca. 138°C,
- • Bismut-Zinn-Silber: 57Bi 42Sn 1Ag Schmelztemperatur: ca. 138°C,
- • Bismut-Indium-Eutektikum: 67Bi 33ln Schmelztemperatur: ca. 109°C,
- • Indium: In Schmelztemperatur: ca. 156°C.
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Ferner eignen sich bei spezieller Anwendung auch Salze (auch als feines Pulver) oder Wasser (mit und ohne Salze).
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Für die Medizin-Fertigung eignen sich in überraschender Weise Polyether und im Speziellen PEG.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Baukammer Anschlüsse zu einem Versorgungssystem des flüssigförmigen Fluides auf.
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In einer ersten Ausführung der Erfindung ist die Aufnahmevorrichtung in z-Richtung verschiebbar angeordnet und nach dem Aufbringen einer ersten Schicht des Substrats von dem flüssigförmigen Fluid umgeben.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, dass sich das Fluid im gesamten Bauraum befindet, wodurch es ohne erhöhtem Aufwand bei konstanter Temperatur gehalten werden kann. Das Fluid muss während des Druckprozesses nicht zwingend über Pumpen oder ähnlichem zu oder abgeführt werden, bzw. es muss keine kontinuierliche Zuführung des Fluides erfolgen.
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Ferner ist von Vorteil, dass sich keine Konvektion der Düse in das Fluid einstellt. Zudem muss der Druckkopf nicht isoliert werden.
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Ferner entstehen durch die jetzt erreichbaren hohen Geschwindigkeiten keine Strömungen und Turbulenzen am Bauteil, da der Druckkopf das Fluid nicht bewegt. Zudem erfährt der Druckkopf durch das Fluid keinen Widerstand.
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In einer zweiten Ausführung ist die Aufnahmevorrichtung innerhalb der Baukammer in z-Richtung verschiebbar angeordnet und nach dem Aufbringen einer ersten Schicht des Substrats ist ausschließlich die Aufnahmefläche der Aufnahmevorrichtung mit dem flüssigförmigen Fluid in Kontakt.
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In dieser Ausführung steigt der Fluidpegel mit dem Absenken der Substratplatte, bzw. Bauplatte. Der Druckkopf arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie der des ersten Ausführungsbeispiels.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, dass sich das Fluid im gesamten Bauraum befindet, wodurch es ohne erhöhtem Aufwand bei konstanter Temperatur gehalten werden kann. Ferner ist von Vorteil, dass sich keine Konvektion der Düse in das Fluid einstellt. Zudem muss der Druckkopf nicht isoliert werden. Ferner entstehen durch die jetzt erreichbaren hohen Geschwindigkeiten keine Strömungen und Turbulenzen am Bauteil, da der Druckkopf das Fluid nicht bewegt. Zudem erfährt der Druckkopf durch das Fluid keinen Widerstand. Ferner muss das Fluid durch Pumpen oder ähnlichem des Versorgungssystems kontrolliert in den Bauraum geleitet werden, sodass der Oberflächenpegel des Fluides exakt eingestellt ist
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit einer der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Verfahren zumindest folgende Schritte umfasst:
- a. die Aufnahmevorrichtung wird über die Verstellvorrichtung in Richtung der z-Achse auf einen oberen Startpunkt A positioniert, wobei dieser oberhalb des Oberflächenpegels des flüssigförmigen Fluides angeordnet ist,
- b. der Druckkopf wird über die Verstellvorrichtung in x-y-Richtung auf den Startpunkt B positioniert, wobei sich die Drucköffnung des Druckkopfs zum Austragen des Substrats oberhalb des flüssigen Fluides befindet,
- c. das Substrat wird durch den Druckkopf schichtweise entsprechend der geplanten Geometrie des Werkstücks ausgetragen,
- d. das ausgetragene Substrat kühlt ab, während weiteres Substrat durch den Druckkopf ausgetragen wird,
- e. nach Fertigstellung einer Schicht, wird die Aufnahmevorrichtung in z-Richtung abgesenkt und die fertige Schicht taucht in das flüssigförmige Fluid ein bis nur noch die Oberfläche der fertigen Schicht oberhalb des Oberflächenpegels frei liegt,
- f. Wiederholung der Schritte c bis e bis das Werkstück fertiggestellt ist,
- g. Entnahme des Werkstücks aus der Baukammer.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird der Oberflächenpegel relativ zum Druckkopf (3) konstant gehalten.
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In einer Weiterbildung hält das Versorgungssystem den Oberflächenpegel relativ zum Druckkopf konstant, indem das flüssigförmige Fluid durch die Anschlüsse des Versorgungssystems zur Baukammer zu- oder abgeführt wird.
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Die bereits genannten Vorteile ergeben sich auch durch das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Weiterbildungen.
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Zusammenfassend ergeben sich insbesondere folgende Vorteile durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren: eine vereinfachte Isolation der Baukammer, bzw. des Druckkopfs; eine energieeffiziente und materialschonende Prozessführung; die Möglichkeit komplexere Bauteile mit weniger Supportmaterial herstellen zu können und eine vereinfachte Bahnplanung.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Zeichnung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 Eine Ansicht einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks nach Stand der Technik,
- 2 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks,
- 3 eine weitere schematische Ansicht einer ersten Ausführung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks,
- 4 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks,
- 5 eine weitere schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks und
- 6 eine Ansicht eines Verfahrensablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks.
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Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Ansicht einer Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10. Die dargestellte Vorrichtung 1, auch 3D-Drucker, oder Drucker genannt, umfasst eine beispielsweise beheizte Baukammer 2, eine Verstellvorrichtung 5, einen Druckkopf 3 und eine Aufnahmevorrichtung 4 zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks 10. Die Verstellvorrichtung 5 umfasst ein oberhalb des Werkstücks 10 angeordnetes x-y-Achssystem 15 mit einer Druckkopfaufnahme 25 zur Verstellung des Druckkopfs 3 in einer x-y-Ebene und ein unterhalb des Werkstücks angeordnetes z-Achssystem 35 zur Verstellung der Aufnahmevorrichtung 4 in z-Richtung.
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Die Verstellvorrichtung 5 sorgt durch ihre Bewegungen des Druckkopfes und der Aufnahmevorrichtung für die dreidimensionale Herstellung des Werkstücks auf der Aufnahmevorrichtung 4, bzw. der sogenannten Substratplatte, bzw. des Substratträgers. Hierzu wird ein beispielsweise thermoplastischer Werkstoff verflüssigt und schichtweise auf den Substratträger 4 aufgetragen, so dass das zu fertigende Werkstück 10 entsteht.
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Zu Beginn eines Druckvorgangs wird die Baukammer 2 auf Prozesstemperatur erhitzt, beispielsweise mittels eines nicht dargestellten integrierten Heizsystems. Gedruckt wird auf einen Substratträger 4, der speziell beschichtet ist, um die Haftung des verflüssigten thermoplastischen Werkstoffs auf der Oberfläche des Substratträgers 4 zu verbessern. Der Substratträger 4 liegt innerhalb der Baukammer 2 auf einem Druckbett auf. Über ein Vakuum oder einen Anschlagbolzen kann er in Position gehalten werden.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10 aus einem flüssigförmigen Substrat 11, wobei die Vorrichtung 1 eine Baukammer 2, zumindest einen Druckkopf 3 mit einer Drucköffnung 31 zum Austragen des Substrats 11, eine Aufnahmevorrichtung 4 zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks 10 und eine Verstellvorrichtung 5 umfasst. Die Verstellvorrichtung 5 umfasst ein x-y-Achssystem 15 mit einer Druckkopfaufnahme 25 und ein unterhalb der Aufnahmevorrichtung 4 angeordnetes z-Achssystem 35. Erfindungsgemäß ist die Baukammer 2 während eines Fertigungsprozesses derart mit einem flüssigförmigen Fluid 51 befüllt, dass das Werkstück 10 bis auf seine oberste Schicht unterhalb eines Oberflächenpegels 52 des flüssigförmigen Fluides 51 angeordnet ist und der Druckkopf 3 mit der Drucköffnung 31 zum Austragen des Substrats 11 stets oberhalb des Oberflächenpegels 52 des flüssigförmigen Fluides 51 angeordnet sind.
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Die Baukammer 2 weist Anschlüsse zu einem Versorgungssystem 50 des flüssigförmigen Fluides 51 auf. Das Versorgungssystem 50 befüllt die Baukammer 2 vor dem Druckprozess mit dem auf die Zieltemperatur erhitzten Fluid 51 und hält den Oberflächenpegel 52 des Fluides 51 bei Bedarf auf einer konstanten Höhe.
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Die Aufnahmevorrichtung 4 ist in z-Richtung verschiebbar angeordnet und nach dem Aufbringen einer ersten Schicht des Substrats von dem flüssigförmigen Fluid 51 umgeben.
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Der Druckkopf 3 bewegt sich während des Fertigungsprozesses entlang des x-y-Achssystems, wobei sich die Drucköffnung 31, bzw. Druckkopfdüse des Druckkopfs 3 oberhalb des Oberflächenpegels 52 des Fluides 51 befindet, also knapp über der Fluidoberfläche 52. Die Aufnahmevorrichtung 4, bzw. die Bauplatte 4 senkt sich während des Druckprozesses Schicht für Schicht in z-Richtung ab. Das Fluid 51 befindet sich dabei im Bauraum der Baukammer 2 unterhalb des Oberflächenpegels 52, daher sind die Achsen des z-Achssystems 35 gegen das Fluid 51 abgedichtet.
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Der Druckkopf 3 taucht somit nicht in das Fluid 51 ein, sondern der Oberflächenpegel 52 des Fluides 51 wird so eingestellt, dass dieser minimal unterhalb der zu druckenden Schicht ist.
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3 zeigt eine weitere schematische Ansicht der ersten Ausführung der Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung des dreidimensionalen Werkstücks 10, wobei es die gleiche Vorrichtung 1 mit dem gleichen Druckkopf 3 wie in 2 in einem fortgeschrittenen Prozessschritt zeigt.
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Das Werkstück 10 ist in seiner Bauform weiter fortgeschritten gefertigt, bzw. gedruckt, wobei durch Pfeile dargestellt ist, dass sich die Aufnahmevorrichtung 4, bzw. die Substratplatte 4 weiter in z-Richtung in die Baukammer 2 bewegt hat. Sowohl in 2 als auch in 3 ist dargestellt, dass das Werkstück 10 während des Druckprozesses zu einem Großteil in dem Fluid 51 eingetaucht ist, wodurch das Werkstück 10 stets eine optimale Temperatur zum Drucken aufweist.
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Ferner ist ein Drucken mit mehreren hier nicht dargestellten Druckköpfen 3 in einer Baukammer 2 möglich.
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4 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 10 aus einem flüssigförmigen Substrat 11, wobei die Vorrichtung 1 eine Baukammer 2, zumindest einen Druckkopf 3 mit einer Drucköffnung 31 zum Austragen des Substrats 11, eine Aufnahmevorrichtung 4, bzw. Substratplatte zur Aufnahme des dreidimensionalen Werkstücks 10 und eine Verstellvorrichtung 5 umfasst. Die Verstellvorrichtung 5 umfasst ein x-y-Achssystem 15 mit einer Druckkopfaufnahme 25 und ein unterhalb der Aufnahmevorrichtung 4 angeordnetes z-Achssystem 35. Erfindungsgemäß ist die Baukammer 2 während eines Fertigungsprozesses derart mit einem flüssigförmigen Fluid 51 befüllt, dass das Werkstück 10 bis auf seine oberste Schicht unterhalb eines Oberflächenpegels 52 des flüssigförmigen Fluides 51 angeordnet ist und der Druckkopf 3 mit der Drucköffnung 31 zum Austragen des Substrats 11 stets oberhalb des Oberflächenpegels 52 des flüssigförmigen Fluides 51 angeordnet sind.
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Die Baukammer 2 weist Anschlüsse zu einem Versorgungssystem 50 des flüssigförmigen Fluides 51 auf.
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Die Aufnahmevorrichtung 4 des hier gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels ist innerhalb der Baukammer 2 in z-Richtung verschiebbar angeordnet und nach dem Aufbringen einer ersten Schicht des Substrats 11 ist ausschließlich die Aufnahmefläche 41 der Aufnahmevorrichtung 4 mit dem flüssigförmigen Fluid 51 in Kontakt.
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In dieser Ausführung regelt das Versorgungsystem 50 den Zu- und Abfluss des Fluides 51 in die Baukammer 2 derart, dass die Fluidmenge in der Baukammer 2 zunimmt, jedoch der Oberflächenpegel 52 mit dem Absenken der Substratplatte 4 auf konstanter Höhe zum Druckkopf 3 bleibt. Dadurch funktioniert der Druckkopf 3 der Vorrichtung 1 nach dem gleichen Prinzip wie der Druckkopf 3 des ersten Ausführungsbeispiels.
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Der Druckkopf 3 bewegt sich während des Fertigungsprozesses entlang des x-y-Achssystems, wobei sich die Drucköffnung 31, bzw. Druckkopfdüse des Druckkopfs 3 oberhalb des Oberflächenpegels 52 des Fluides 51 befindet, also knapp über der Fluidoberfläche 52. Die Aufnahmevorrichtung 4, bzw. die Bauplatte 4 senkt sich während des Druckprozesses Schicht für Schicht in z-Richtung ab. Das Fluid 51 befindet sich dabei in der Baukammer 2 oberhalb der Aufnahmefläche 41 der Aufnahmevorrichtung 4 und unterhalb des Oberflächenpegels 52. Daher ist die Aufnahmevorrichtung 4 gegen das Fluid 51 abgedichtet.
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Der Druckkopf 3 taucht somit nicht in das Fluid 51 ein, sondern der Oberflächenpegel 52 des Fluides 51 wird so eingestellt, dass dieser minimal unterhalb der zu druckenden Schicht ist.
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5 zeigt eine weitere schematische Ansicht der zweiten Ausführung der Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung des dreidimensionalen Werkstücks 10, wobei es die gleiche Vorrichtung 1 mit dem gleichen Druckkopf 3 wie in 4 in einem fortgeschrittenen Prozessschritt zeigt.
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Das Werkstück 10 ist in seiner Bauform weiter fortgeschritten gefertigt, bzw. gedruckt, wobei durch Pfeile dargestellt ist, dass sich die Aufnahmevorrichtung 4, bzw. die Substratplatte 4 weiter in z-Richtung in die Baukammer 2 bewegt hat. Sowohl in 4 als auch in 5 ist dargestellt, dass das Werkstück 10 während des Druckprozesses zu einem Großteil in dem Fluid 51 eingetaucht ist wodurch das Werkstück 10 stets eine optimale Temperatur zum Drucken aufweist.
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Ferner ist ein Drucken mit mehreren hier nicht dargestellten Druckköpfen 3 in einer Baukammer 2 möglich.
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6 zeigt eine Ansicht eines Ablaufplans des erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks 1. In weiteren schematisch dargestellten Figuren (6b bis 6d) ist der jeweilige Druckfortschritt des Werkstücks 10 dargestellt.
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6a zeigt den Ablaufplan zur additiven Fertigung des dreidimensionalen Werkstücks 10 mit der Vorrichtung 1 am Beispiel des zweiten Ausführungsbeispiels, wobei die folgenden Verfahrensschritte auch für das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 geeignet sind.
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Dabei umfasst das Verfahren zumindest folgende Schritte:
- a. die Aufnahmevorrichtung 4 wird über die Verstellvorrichtung 35 in Richtung der z-Achse auf einen oberen Startpunkt A positioniert, wobei dieser oberhalb des Oberflächenpegels 52 des flüssigförmigen Fluides 51 angeordnet ist (6b),
- b. der Druckkopf 3 wird über die Verstellvorrichtung 15 in x-y-Richtung auf den Startpunkt B positioniert, wobei sich die Drucköffnung 31 des Druckkopfs 3 zum Austragen des Substrats 11 oberhalb des flüssigen Fluides 51 befindet (6b),
- c. das Substrat 11 wird durch den Druckkopf 3 schichtweise entsprechend der geplanten Geometrie des Werkstücks 10 ausgetragen (6c),
- d. das ausgetragene Substrat 11 kühlt ab, während weiteres Substrat 11 durch den Druckkopf 3 ausgetragen wird (6c),
- e. nach Fertigstellung einer Schicht, wird die Aufnahmevorrichtung 4 in z-Richtung abgesenkt und die fertige Schicht taucht in das flüssigförmige Fluid 51 ein bis nur noch die Oberfläche der fertigen Schicht oberhalb des Oberflächenpegels 52 frei liegt,
- f. Wiederholung der Schritte c bis e bis das Werkstück 10 fertiggestellt ist,
- g. Entnahme des Werkstücks 10 aus der Baukammer 2 (6d).
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Zur Gewährleistung eines stabilen Druckprozesses wird der Oberflächenpegel 52 relativ zum Druckkopf 3 konstant gehalten.
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Das Versorgungssystem 50 hält den Oberflächenpegel 52 relativ zum Druckkopf 3 konstant, indem das flüssigförmige Fluid 51 durch die Anschlüsse des Versorgungssystems 50 zur Baukammer 2 zu- oder abgeführt wird. Das heißt, dass während die nächste Schicht aufgebracht wird, kann das Niveau des Oberflächenpegels 52 durch Zu- oder Ablassen von Fluid 51 durch das Versorgungssystem 50 angepasst werden.
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Ist die letzte Schicht aufgebracht, wird das Werkstück 10, bzw. das Bauteil aus der Baukammer 2, bzw. dem Fluid 51 herausgeführt und entnommen.
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Da kein Fluid 51 in die innere Strukturen des gedruckten Werkstücks 10 eindringt welche nicht mit der Außenstruktur verbunden sind, können in einem weiteren Verfahrensschritt die Hohlräume des Werkstücks 10 aufgefüllt werden.
