DE102021123264A1 - Additive manufacturing process to produce a workpiece and 3D printer - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren zum Herstellen eines Werkstücks (42), mit den Schritten: (a) schichtweises Aushärten von flüssigem oder granularem Druckausgangsmaterial (14) mittels eines 3D-Druckers (10), sodass das Werkstück (42) entsteht. Erfindungsgemäß vorgesehen ist schichtweises Aufbauen einer Hüllstruktur (44), die das Werkstück (42) zumindest in horizontaler Richtung umgibt.The invention relates to an additive manufacturing method for producing a workpiece (42), with the steps: (a) layer-by-layer curing of liquid or granular printing starting material (14) using a 3D printer (10), so that the workpiece (42) is created. According to the invention, an enveloping structure (44) is built up in layers, which surrounds the workpiece (42) at least in the horizontal direction.
Description
Die Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren zum Herstellen eines Werkstücks mit dem Schritt (a) schrittweises Aushärten von flüssigem oder granularem Druckausgangsmaterial, sodass das Werkstück entsteht, mittels eines 3D-Druckers. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung einen 3D-Drucker mit (a) einer Druckausgangsmaterial-Einbringvorrichtung zum Erzeugen einer Schicht an Druckausgangsmaterial in einem Arbeitsraum des 3D-Druckers, (b) einer Aushärteeinheit zum Aushärten des Druckausgangsmaterials und (c) einer Steuereinheit, die ausgebildet ist zum automatischen Ansteuern der Druckausgangsmaterial-Einbringvorrichtung und der Aushärteeinheit, sodass ein Werkstück einer vorgegebenen Form erzeugt wird.The invention relates to an additive manufacturing method for producing a workpiece with step (a) gradual curing of liquid or granular printing starting material, so that the workpiece is created, using a 3D printer. According to a second aspect, the invention relates to a 3D printer with (a) a print starting material introduction device for producing a layer of print starting material in a working space of the 3D printer, (b) a curing unit for curing the print starting material and (c) a control unit which is designed to automatically drive the pressure starting material introducing device and the curing unit, so that a workpiece of a predetermined shape is produced.
Unter einem additiven Fertigungsverfahren wird ein Verfahren gemäß DIN EN ISO 52911, Stand 1.1.2021, verstanden. Bei solchen Verfahren wird das Werkstück durch schrittweises Aushärten von flüssigem oder granularem Druckausgangsmaterial aufgebaut wird. Ein additives Fertigungsverfahren kann ein 3-Druckverfahren sein. Der Vorteil eines additiven Fertigungsverfahrens ist, dass sehr komplexe Bauteile gefertigt werden können. Insbesondere können Bauteile gefertigt werden, die durch spanende Fertigung nicht herstellbar sind. Vorteilhaft an additiven Fertigungsverfahren ist zudem, dass die individuelle Fertigung von Bauteilen erleichtert ist.An additive manufacturing process is understood to mean a process in accordance with DIN EN ISO 52911, as of January 1st, 2021. In such methods, the workpiece is built up by the incremental solidification of liquid or granular print feedstock. An additive manufacturing process can be a 3-print process. The advantage of an additive manufacturing process is that very complex components can be manufactured. In particular, components can be manufactured that cannot be produced by machining. Another advantage of additive manufacturing processes is that the individual production of components is made easier.
Nachteilig an additiven Fertigungsverfahren sind die häufig vergleichsweise hohen Kosten. Das gilt insbesondere dann, wenn große Bauteile hergestellt werden sollen. Als erster Nachteil führen große Bauteile zu einer langen Fertigungszeit, als zweiter Nachteil erfordern sie teure 3D-Drucker mit einem großen Arbeitsraum. Der erste Nachteil kann dadurch vermindert werden, dass Halbzeuge beispielsweise spanend, auf die additiv weiteren Strukturen aufgebracht werden.The often comparatively high costs are a disadvantage of additive manufacturing processes. This is particularly true when large components are to be manufactured. As a first disadvantage, large components lead to a long production time, as a second disadvantage, they require expensive 3D printers with a large working area. The first disadvantage can be reduced by applying semi-finished products, for example by cutting, to the additional structures.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes additives Fertigungsverfahren anzugeben.The invention is based on the object of specifying an improved additive manufacturing method.
Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes additives Fertigungsverfahren mit dem Schritt (b) eines schrittweisen Aufbauens einer Hüllstruktur, die das Werkstück in, insbesondere horizontaler, Richtung umgibt.The invention solves the problem by means of a generic additive manufacturing method with step (b) of stepwise building up an enveloping structure which surrounds the workpiece in, in particular horizontal, direction.
Die Erfindung löst das Problem zudem durch ein gattungsgemäßes 3D-Druckverfahren, das die folgenden Schritte aufweist: (a) Positionieren eines Roh-Werkstücks relativ zum 3D-Drucker, sodass ein erster Teil des Roh-Werkstücks innerhalb eines Arbeitsraums des 3D-Druckers angeordnet ist und ein zweiter Teil des Roh-Werkstücks aus dem Arbeitsraum herausragt, (b) Abdichten eines Übergangsbereichs zwischen dem Roh-Werkstück und dem 3D-Drucker und (c) 3D-Andrucken, insbesondere mittels pulverbasierten 3D-Druckens, eines Werkstückteils an das Roh-Werkstück, sodass das Werkstück entsteht. Es ist günstig, nicht aber notwendig, wenn dieses additive Fertigungsverfahren den Schritt des schrittweisen Aufbauens der Hüllstruktur, die das Werkstück in, insbesondere horizontaler, Richtung umgibt, aufweist.The invention also solves the problem by a generic 3D printing method, which has the following steps: (a) positioning a raw workpiece relative to the 3D printer, so that a first part of the raw workpiece is arranged within a working space of the 3D printer and a second part of the raw workpiece protrudes from the working space, (b) sealing a transition area between the raw workpiece and the 3D printer and (c) 3D proof printing, in particular by means of powder-based 3D printing, of a workpiece part on the raw workpiece, so that the workpiece is created. It is favorable, but not necessary, if this additive manufacturing method has the step of building up the enveloping structure step by step, which surrounds the workpiece in a particularly horizontal direction.
Die Erfindung löst das Problem zudem durch einen gattungsgemäßen 3D-Drucker, bei dem die Steuereinheit ausgebildet ist zum automatischen schichtweisen Aufbauen einer Hüllstruktur, die das Werkstück in horizontaler Richtung umgibt.The invention also solves the problem with a generic 3D printer, in which the control unit is designed to automatically build up an envelope structure in layers, which surrounds the workpiece in the horizontal direction.
Unter einem 3D-Drucker wird eine Vorrichtung zum additiven Fertigen verstanden. Statt des Begriffs 3D-Drucker könnte daher auch der Begriff additive Fertigungsanlage verwendet werden.A 3D printer is a device for additive manufacturing. The term additive manufacturing system could therefore also be used instead of the term 3D printer.
Zudem löst die Erfindung das Problem durch einen gattungsgemäßen 3D-Drucker, der (a) einen Boden, der eine Durchgangsöffnung aufweist, besitzt, wobei (b) die Durchgangsöffnung so ausgebildet ist, dass ein Roh-Werkstück so anordenbar ist, dass es mit einem Teil aus dem Arbeitsraum des 3D-Druckers herausragt und mit einem anderen Teil im Arbeitsraum angeordnet ist. Es ist günstig, nicht aber notwendig, wenn die Steuereinheit dieses 3D-Druckers ausgebildet ist zum automatischen schrittweisen Aufbauen der Hüllstruktur, die das Werkstück in horizontaler Richtung umgibt.In addition, the invention solves the problem with a generic 3D printer that (a) has a base that has a through-opening, wherein (b) the through-opening is designed in such a way that a raw workpiece can be arranged in such a way that it can be connected to a Part protrudes from the working space of the 3D printer and is arranged with another part in the working space. It is favorable, but not necessary, if the control unit of this 3D printer is designed for the automatic, step-by-step construction of the envelope structure that surrounds the workpiece in the horizontal direction.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass Bauteile gefertigt werden können, die größer sind als der Arbeitsraum des 3D-Druckers. Selbstverständlich können aber auch Bauteile gefertigt werden, die in den Arbeitsraum des 3D-Druckers passen.The advantage of the invention is that components can be manufactured that are larger than the working space of the 3D printer. Of course, components that fit into the workspace of the 3D printer can also be manufactured.
Günstig ist, dass beim Aufbauen einer Hüllstruktur das Druckausgangsmaterial zwischen der Hüllstruktur und dem Werkstück eingeschlossen werden kann. Wenn das Druckausgangsmaterial, wie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, ein Metallpulver ist, kann eine Gesundheitsgefährdung von Personen durch dieses Metallpulver nicht ausgeschlossen werden. Das gilt insbesondere, wenn, wie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, ein lungengängiges oder karzinogenes Druckausgangsmaterial verwendet wird. Durch die Hüllstruktur wird das Metallpulver umschlossen und kann in einem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehenen Verfahrensschritt aus der Struktur entfernt werden.It is advantageous that when building up an enveloping structure, the starting material for printing can be enclosed between the enveloping structure and the workpiece. If the printing starting material, as provided according to a preferred embodiment, is a metal powder, a health hazard to people from this metal powder cannot be ruled out. This applies in particular if, as provided according to a preferred embodiment, a respirable or carcinogenic pressure starting material is used. The metal powder is enclosed by the enveloping structure and can be removed from the structure in a method step provided according to a preferred embodiment.
Vorteilhaft ist zudem, dass ein erfindungsgemäßer 3D-Drucker zum Reparieren von Bauteilen vor Ort, also an oder in der Nähe von deren Einsatzort, möglich ist. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Bauteil nur unter großem Aufwand bewegt werden kann, bzw. wenn es sich um eine Komponente einer im Meer installierten Anlage handelt. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Bohrplattform oder eine Windkraftanlage handeln.It is also advantageous that a 3D printer according to the invention for repairing components on site, i.e. at or near their place of use. This is particularly advantageous if the component can only be moved with great effort, or if it is a component of a system installed in the sea. This can be, for example, a drilling platform or a wind turbine.
In der Erfindung geht es insbesondere um den Sonderfall, dass ein 3D-Drucker, also eine Maschine für additive Fertigung, die Bauteile fertigen kann, die in Baurichtung größer sind als der Bauraum. Der Bauraum muss für die meisten Verfahren zur Umgebung abgedichtet werden. Eine erfinderische Lösung umfasst bevorzugt eine, vorzugsweise mitgedruckte, Dichtung. Zudem kann Druckausgangsmaterial auf bestehende Bauteile aufgedruckt werden. Hierbei passt sich ein, insbesondere ausgedrucktes, Passstück an das Bauteil an und kann eine initiale Dichtung erzeugen. Im Anschluss kann dieses gedruckte Passstück, das auch als Dichtung bezeichnet werden könnte, wieder verwendet werden. Beim additiven Fertigen kann eine Bauplattform, abgesenkt werden. Die Bauplattform ist ein Bauteil, auf der das entstehende Werkstück angeordnet ist. Die Dichtung kann auch als Zwischenboden fungieren.The invention relates in particular to the special case that a 3D printer, i.e. a machine for additive manufacturing, can produce components that are larger in the construction direction than the construction space. The installation space must be sealed off from the environment for most processes. An inventive solution preferably includes a seal, preferably a co-printed seal. In addition, print starting material can be printed onto existing components. In this case, a fitting piece, in particular a printed one, adapts to the component and can create an initial seal. This printed fitting, which could also be called a seal, can then be used again. In additive manufacturing, a construction platform can be lowered. The construction platform is a component on which the resulting workpiece is arranged. The seal can also function as an intermediate floor.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Arbeitsraum des 3D-Druckers derjenige Raumbereich verstanden, in dem Druckausgangsmaterial automatisch vom 3D-Drucker ausgehärtet werden kann.In the context of the present description, the working space of the 3D printer is understood to mean that spatial area in which the starting material for printing can be cured automatically by the 3D printer.
Unter dem Aushärten wird insbesondere ein Vorgang verstanden, bei dem das Druckausgangsmaterial zumindest teilweise geschmolzen, gesintert oder polymerisiert wird. Vorzugsweise ist das Aushärten ein Laserstrahlschmelzen.Curing is understood to mean, in particular, a process in which the printing starting material is at least partially melted, sintered or polymerized. Preferably the curing is laser beam melting.
Unter einem Abdichten wird insbesondere verstanden, dass der Durchtritt von Druckausgangsmaterial und/oder Gas unterbunden wird.Sealing is understood in particular to mean that the passage of pressure starting material and/or gas is prevented.
Günstig ist es, wenn sich während des Durchführens des additiven Fertigungsverfahrens Druckausgangsmaterial sowohl zwischen der Hüllstruktur und dem Werkstück als auch außerhalb der Hüllstruktur, aber innerhalb des Arbeitsraums des 3D-Druckers befindet. Es ist günstig, das Druckausgangsmaterial vor dem Entfernen des Werkstücks und der Hüllstruktur aus dem Arbeitsraum zu entfernen, beispielsweise abzusaugen.It is favorable if, while the additive manufacturing process is being carried out, the starting material for printing is located both between the enveloping structure and the workpiece and outside the enveloping structure, but within the working space of the 3D printer. It is favorable to remove the pressure starting material from the working space, for example by suction, before removing the workpiece and the enveloping structure.
Vorzugsweise befindet sich während des additiven Fertigungsverfahrens zwischen der Hüllstruktur und dem Werkstück Druckausgangsmaterial. Es ist günstig, alternativ oder zusätzlich das Ausgangsmaterial aus dem von der Hüllstruktur umgebenden Bereich zu entfernen.Preferably, starting material for printing is located between the enveloping structure and the workpiece during the additive manufacturing process. It is favorable, alternatively or additionally, to remove the starting material from the area surrounded by the enveloping structure.
Günstig ist es, wenn das additive Fertigungsverfahren den Schritt des Schließens der Hüllstruktur, sodass die Hüllstruktur eine für das Druckausgangsmaterial dichte Hülle bildet, umfasst. Es ist dann möglich, das Druckobjekt, das aus dem Werkstück und der Hüllstruktur besteht, aus dem 3D-Drucker zu entfernen, ohne dass die Gefahr besteht, das Druckausgangsmaterial in die Umwelt gelangt. Zudem kann die Hüllstruktur einen Schutz für das gedruckte Bauteil bilden. Das Schließen der Hüllstruktur erfolgt durch Aushärten des Druckausgangsmaterials, sodass sich die geschlossene Hülle bildet.It is favorable if the additive manufacturing method includes the step of closing the enveloping structure, so that the enveloping structure forms an envelope that is impervious to the print starting material. It is then possible to remove the print object, consisting of the workpiece and the enveloping structure, from the 3D printer without the risk of the print starting material escaping into the environment. In addition, the enveloping structure can form a protection for the printed component. The shell structure is closed by curing the printing starting material, so that the closed shell is formed.
Die Hüllstruktur ist vorzugsweise mittelbar oder unmittelbar mit dem Werkstück verbunden. Insbesondere ist die Hüllstruktur stoffschlüssig mit dem Werkstück verbunden. Beispielsweise bilden die Hüllstruktur und das Werkstück einen einstückigen Gegenstand. Unter einem einstückigen Gegenstand wird ein Gegenstand verstanden, der nur Fügestellen, die nicht beim Aushärten des Druckausgangsmaterials entstanden ist, aufweist.The enveloping structure is preferably connected directly or indirectly to the workpiece. In particular, the enveloping structure is materially connected to the workpiece. For example, the enveloping structure and the workpiece form a one-piece object. A one-piece object is understood to mean an object that only has joints that did not arise during the curing of the printing starting material.
Vorzugsweise hat die Hüllstruktur eine prismatische Hüllstruktur-Außenkontur. Die Hüllstruktur-Außenkontur kann beispielsweise zylindermantelförmig sein oder den Querschnitt eines, insbesondere regelmäßigen, n-Ecks haben.The enveloping structure preferably has a prismatic enveloping structure outer contour. The outer contour of the enveloping structure can, for example, be in the form of a cylinder jacket or have the cross section of an, in particular regular, n-gon.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren die Schritte: (a) Aufbauen zumindest einer Lage, insbesondere einer Mehrzahl an Lagen, des Druckobjekts, und (b) Verschieben eines Teils des Druckobjekts aus dem Arbeitsraum des 3D-Druckers heraus, wobei das Druckobjekt teilweise im Arbeitsraum verbleibt. Diese Schritte können vorzugsweise zweimal, dreimal oder mehrmals wiederholt werden, bis das Werkstück fertiggestellt ist.The method preferably comprises the steps: (a) building up at least one layer, in particular a plurality of layers, of the printed object, and (b) moving part of the printed object out of the working space of the 3D printer, the printed object partially remaining in the working space. These steps can preferably be repeated two, three or more times until the workpiece is completed.
Vorzugsweise ist zwischen einer Arbeitsraumwand des Arbeitsraums des 3D-Druckers und der Hüllstruktur eine Dichtung angeordnet. Mittels dieser Dichtung wird verhindert, das Druckausgangsmaterial aus dem Arbeitsraum austritt.A seal is preferably arranged between a working space wall of the working space of the 3D printer and the enveloping structure. This seal prevents the pressure starting material from escaping from the working space.
Günstig ist es, wenn das Verfahren die Schritte (a) Aufbauen zumindest einer Lage, insbesondere einer Mehrzahl an Lagen, des Druckobjekts und (b) Verschieben der Dichtung in Aufbaurichtung, aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren den Schritt des Verschiebens des Druckobjekts zusammen mit der Dichtung, sodass das Druckobjekt weiter aus dem Arbeitsraum herausbewegt wird, aufweisen.It is favorable if the method has the steps (a) building up at least one layer, in particular a plurality of layers, of the printed object and (b) moving the seal in the building direction. Alternatively or additionally, the method can include the step of displacing the printed object together with the seal, so that the printed object is moved further out of the working space.
Insbesondere kann die Dichtung relativ zur Arbeitsraumwand beweglich sein, das ist aber nicht notwendig. Die Dichtung ist vorzugsweise unterhalb einer Basisfläche angeordnet, auf der die erste Lage an Druckausgangsmaterial angeordnet wird. Die Dichtung kann als Blende ausgebildet sein.In particular, the seal can be movable relative to the working space wall, but this is not necessary. The gasket is preferably positioned below a base surface on which the first layer placed on print stock. The seal can be designed as a screen.
Vorzugsweise erfolgt das Verschließen des Zwischenraums zwischen dem Werkstück und dem 3D-Drucker mittels einer Blende. Eine Blende ist ein Bauteil, dessen Innenkontur automatisch und zerstörungsfrei veränderbar ist. Beispielsweise besitzt die Blende bewegliche Lamellen. Die Lamellen passen sich an die Werkstück-Außenkontur an. Wird das Werkstück zumindest teilweise aus dem Arbeitsraum herausbewegt, bewegt sich das Werkstück relativ zur Blende.The gap between the workpiece and the 3D printer is preferably closed by means of a screen. A panel is a component whose inner contour can be changed automatically and non-destructively. For example, the aperture has movable slats. The lamellas adapt to the outer contour of the workpiece. If the workpiece is at least partially moved out of the working space, the workpiece moves relative to the panel.
Alternativ oder zusätzlich erfolgt das Verschließen des Zwischenraums zwischen dem Werkstück und dem 3D-Drucker mittels einer elastischen Dichtung. Die elastische Bindung ist beispielsweise aus einem entropieelastischen Material aufgebaut.Alternatively or additionally, the space between the workpiece and the 3D printer is sealed by means of an elastic seal. The elastic bond is constructed from an entropy-elastic material, for example.
Es ist zudem möglich, nicht aber notwendig, dass vor dem Verschieben der Dichtung relativ zum Druckobjekt und/oder zum 3D-Drucker zumindest ein Teil des Druckausgangsmaterials aus dem Arbeitsraum entfernt wird.It is also possible, but not necessary, for at least part of the print starting material to be removed from the working space before the seal is displaced relative to the printed object and/or to the 3D printer.
Es ist vorteilhaft, wenn nach dem Verschieben der Dichtung ein Spaltbereich zwischen der Hüllstruktur und der Arbeitsraumwand abgedichtet wird. Das kann beispielsweise mittels eines Lots, mittels Wachs oder eines Dehnkissens, beispielsweise eines Hydro-Dehnkissens, erfolgen.It is advantageous if, after the seal has been displaced, a gap area between the enveloping structure and the working space wall is sealed. This can be done, for example, by means of a solder, by means of wax or an expansion cushion, for example a hydro-expansion cushion.
Vorzugsweise umfasst das Dichten die Schritte des Anbringens eines Passstücks, insbesondere einer Blende, am Werkstück, sodass eine Verbindung zwischen dem Passstück und dem Werkstück für Druckausgangsmaterial dicht ist. Das Passstück ist vorzugsweise relativ zum Arbeitsraum und/oder zur Hüllstruktur beweglich ausgebildet.The sealing preferably comprises the steps of attaching a fitting, in particular a screen, to the workpiece so that a connection between the fitting and the workpiece is sealed for pressure starting material. The adapter is preferably designed to be movable relative to the working space and/or to the enveloping structure.
Das Herstellen des Passstücks umfasst vorzugsweise das 3D-Drucken des Passstücks. Das weist vorzugsweise die Schritte: (a) eines Erfassens eines Außenkonturquerschnitts einer Werkstück-Außenkontur des Roh-Werkstücks und (b) eines Herstellens eines Passstücks mit einer Passkontur, die der Werkstück-Außenkontur entspricht, auf. Das Passstück wird vorzugsweise am Werkstück so angebracht, dass eine für das Druckausgangsmaterial dichte Verbindung entsteht. Günstig ist es, wenn das Druckausgangsmaterial beim Drucken auf dem Passstück mittelbar oder unmittelbar aufliegt. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass das Passstück zumindest 50 % der Gewichtskraft des Druckausgangsmaterials aufnimmt, das senkrecht über ihm angeordnet ist. Das Passstück kann beispielsweise durch 3D-Druck und/oder durch Trennen und/oder Spanen hergestellt werden. Beispielsweise ist Wasserstrahlschneiden geeignet.Manufacturing the fitting preferably includes 3D printing the fitting. This preferably has the steps: (a) detecting an outer contour cross-section of a workpiece outer contour of the raw workpiece and (b) producing a fitted piece with a fitting contour which corresponds to the workpiece outer contour. The adapter is preferably attached to the workpiece in such a way that a tight connection is created for the print starting material. It is favorable if the print starting material lies directly or indirectly on the fitting piece during printing. This means in particular that the adapter absorbs at least 50% of the weight of the printing starting material that is arranged vertically above it. The fitting can be produced, for example, by 3D printing and/or by cutting and/or machining. For example, water jet cutting is suitable.
Das Passstück kann zudem als Basis für die Hüllstruktur dienen. Vorzugsweise wird daher die Hüllstruktur starr relativ zum Passstück auf das Passstück aufgebracht. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Hüllstruktur unmittelbaren Kontakt mit dem Passstück hat.The fitting piece can also serve as the basis for the enveloping structure. The enveloping structure is therefore preferably applied to the fitting piece in a rigid manner relative to the fitting piece. It is possible, but not necessary, for the enveloping structure to be in direct contact with the fitting.
Der erfindungsgemäße 3D-Drucker hat vorzugsweise einen Boden, der eine Durchgangsöffnung aufweist. Vorzugsweise ist die Durchgangsöffnung so ausgebildet, dass ein Roh-Werkstück so anordenbar ist, dass es mit einem Teil aus dem Arbeitsraum des 3D-Druckers, insbesondere nach unten, herausragt und mit einem anderen Teil im Arbeitsraum angeordnet ist. Es ist dann möglich und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, Bauteile zu fertigen, die größer sind als der Bauchraum des 3D-Druckers.The 3D printer according to the invention preferably has a base that has a through-opening. The through-opening is preferably designed in such a way that a raw workpiece can be arranged in such a way that part of it protrudes out of the working space of the 3D printer, in particular downwards, and another part is arranged in the working space. It is then possible and provided according to a preferred embodiment to manufacture components that are larger than the abdomen of the 3D printer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der 3D-Drucker eine Dichtung, insbesondere eine Blende und/oder eine Dichtung aus entropieelastischem Material, die angeordnet ist zum Abdichten des Arbeitsraums des 3D-Druckers gegen das durch die Durchgangsöffnung ragende Werkstück oder Objekt. Die Dichtung hindert vorzugsweise Druckausgangsmaterial und/oder Gas am Durchtreten. Insbesondere ist die Dichtung druckausgangsmaterialdicht und/oder gasdicht.According to a preferred embodiment, the 3D printer has a seal, in particular a screen and/or a seal made of entropy-elastic material, which is arranged to seal the working space of the 3D printer against the workpiece or object protruding through the through-opening. The seal preferably prevents pressure feedstock and/or gas from passing through. In particular, the seal is pressure starting material-tight and/or gas-tight.
Vorzugsweise besitzt das fertige Werkstück und/oder das Druckobjekt eine maximale Ausdehnung, die größer ist als die maximale Ausdehnung des Arbeitsraums. Insbesondere besitzt das fertige Werkstück und/oder das Druckobjekt eine maximale Ausdehnung von zumindest 500 mm, insbesondere zumindest 750 mm. Derartig große Objekte sind mit bisherigen 3D-Druckern nicht herstellbar.The finished workpiece and/or the printed object preferably has a maximum extent that is greater than the maximum extent of the working space. In particular, the finished workpiece and/or the printed object has a maximum extension of at least 500 mm, in particular at least 750 mm. Such large objects cannot be produced with previous 3D printers.
Vorzugsweise besitzt der 3D-Drucker eine Dichtung, die ausgebildet ist zum Abdichten eines Übergangsbereichs zwischen dem Roh-Werkstück und dem 3D-Drucker.The 3D printer preferably has a seal which is designed to seal off a transition area between the raw workpiece and the 3D printer.
Günstig ist es, wenn der 3D-Drucker einen Austragschacht aufweist, der eine Austragschacht-Innenkontur hat und die Austragschacht-Innenkontur einer Passstück-Außenkontur entspricht. Dann kann das Passstück im Austragschacht gleiten und dadurch das Roh-Werkstück teilweise aus dem Arbeitsraum des 3D-Druckers bewegen.It is favorable if the 3D printer has a discharge chute that has a discharge chute inner contour and the discharge chute inner contour corresponds to a fitting piece outer contour. The fitting piece can then slide in the discharge chute, thereby partially moving the raw workpiece out of the 3D printer's workspace.
Der Austragschacht hat eine Austragschachtlänge, die vorzugsweise zumindest 2 Zentimeter, insbesondere zumindest 10 Zentimeter beträgt. Das bewirkt, dass das Werkstück um annähernd die Austragschachtlänge aufgebaut werden kann, bevor es teilweise aus dem Arbeitsraum herausbewegt werden muss.The discharge chute has a discharge chute length that is preferably at least 2 centimeters, in particular at least 10 centimeters. The effect of this is that the workpiece can be built up by approximately the length of the discharge chute before it has to be partially moved out of the work area.
Das Druckausgangsmaterial ist vorzugsweise aus einer Metalllegierung gebildet, vorzugsweise einem Werkzeugstahl, einer Nickelbasislegierung oder einer Kobalt-Chrom-Legierung. Das Druckausgangsmaterial kann zudem Kunststoff sein.The print starting material is preferably formed from a metal alloy, preferably a tool steel, a nickel-based alloy or a cobalt-chromium alloy. The printing starting material can also be plastic.
Vorzugsweise beträgt eine Korngröße des Druckausgangsmaterials zumindest 25 µm, insbesondere 35 µm, und/oder höchstens 75 µm, insbesondere höchstens 45 µm, beispielsweise 45 ± 5 µm.A particle size of the printing starting material is preferably at least 25 μm, in particular 35 μm, and/or at most 75 μm, in particular at most 45 μm, for example 45±5 μm.
Im Folgenden wird die Erfindung der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
-
1 in1a eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen 3D-Druckers zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform und in1b eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen 3D-Druckers zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform, -
2 in2b eine Ansicht gemäß1a zum Beginn eines Verfahrens, bei dem an ein Roh-Werkstück eine Struktur angedruckt wird und in2b den Zustand am Ende des Verfahrens, und -
3 einen Querschnitt durch eine Dichtung des 3D-Druckers.
-
1 in1a a perspective, partially sectioned view of a 3D printer according to the invention for carrying out a method according to the invention according to a first embodiment and in1b a perspective, partially sectioned view of a 3D printer according to the invention for carrying out a method according to the invention according to a second embodiment, -
2 in2 B a view according to1a at the start of a process in which a structure is printed onto a raw workpiece and2 B the state at the end of the procedure, and -
3 a cross section through a seal of the 3D printer.
Der 3D-Drucker 10 verfügt über eine Aushärteeinheit 18, die im vorliegenden Fall einen Laser 20 zum Abgeben eines Laserstrahls 22 und eine Umlenkeinheit 24 zum Umlenken des Laserstrahls 22 auf einen Aushärtepunkt P aufweist. Zum Herstellen einer Schicht des Werkstücks wird zunächst Druckausgangsmaterial 14 von der Druckausgangsmaterial-Einbringvorrichtung 12 in den Arbeitsraum 16 eingebracht und mittels einer Rakel 26 der Druckausgangsmaterial-Einbringvorrichtung 12 glattgezogen, sodass die Schicht entsteht. Danach wird mittels der Umlenkeinheit 24 der Aushärtepunkt P so über die Schicht bewegt, dass das Druckausgangsmaterial sich mit einem bereits vorhandenen Roh-Werkstück 28 verbindet.The
In einer Steuereinheit 30, die mit der Aushärteeinheit 18 verbunden ist, ist ein Programm gespeichert, gemäß dem die Aushärteeinheit 18 und die Druckausgangsmaterial-Einbringvorrichtung 12 angesteuert werden.A program is stored in a
Alternativ kann die Aushärteeinheit 18 beispielsweise einen Teilchenstrahl, wie einen Elektronenstrahl, abgeben. Statt des Metallpulvers ist denkbar, dass das Ausgangsmaterial 14 ein Keramikpulver ist, das mittels der Aushärteeinheit lokal gesintert wird.Alternatively, the curing
Es ist außerdem möglich, dass das Druckausgangsmaterial eine Flüssigkeit ist, insbesondere ein polymerisierbarer Kunststoff. In diesem Fall gibt die Aushärteeinheit 18 zumindest zwei Laserstrahlen ab, die beide durch den Aushärtepunkt P verlaufen.It is also possible for the printing starting material to be a liquid, in particular a polymerizable plastic. In this case, the curing
Der 3D-Drucker 10 besitzt eine Arbeitsraumwand 32 und einen Boden 34, die den Arbeitsraum 16 umgeben. Der Boden besitzt eine Durchgangsöffnung 38, an die sich ein Austragschacht 40 anschließt. Der Austragschacht 40 besitzt eine prismatische Innenwand. In anderen Worten bleibt der Querschnitt des Austragschachts über die Erstreckung des Austragschachts 40 gleich.The
Beim Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird beispielsweise auf das Roh-Werkstück 28 ein Werkstückteil 41 angedruckt. Das Roh Werkstück 28 und das Werkstückteil 41 bilden nach Beenden des 3D-Druckverfahrens ein Werkstück 42.When carrying out a method according to the invention, a
Die Hüllstruktur 44 ist auf einer Dichtung 46 angeordnet, die gegen das Werkstück 42 abdichtet. Im vorliegenden Fall besitzt die Dichtung 46 ein Passstück 48, dessen Passkontur in Form seiner Passstück-Innenkontur einer Werkstück-Außenkontur entspricht. Die Dichtung 46 ist, im vorliegenden Fall im Bereich des Passstücks 48, mit dem Werkstück 42 über eine, vorzugsweise lösbare stoffschlüssige, Verbindung verbunden. Beispielsweise ist das Passstück 48 am Werkstück 42 angelötet.The enveloping
Durch sukzessives Auftragen weiterer Schichten wachsen das Werkstückteil 41 und die Hüllstruktur 44, was durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. In diesem Zustand ist der Arbeitsraum 16 mit deutlich mehr Druckausgangsmaterial gefüllt als zu Beginn des 3D-Druckverfahrens, wie es in
Der 3D-Drucker 10 kann eine schematisch eingezeichnete Befestigungsvorrichtung 52 aufweisen, die mit dem Roh-Werkstück 28 verbunden ist. Mittels einer Verfahrvorrichtung 54 wird das Roh-Werkstück 28 entlang einer Erstreckungsrichtung E des Austragschachts 40 relativ zum Arbeitsraum 16 bewegt. Bei dieser Bewegung gleitet die Dichtung 46 entlang der Innenfläche 50 des Austragschachts 40. In anderen Worten werden das Werkstück 42 und die Hüllstruktur 44 teilweise aus dem Arbeitsraum 16 des 3D-Druckers 10 herausgeschoben. Ein Teil des Werkstücks 42 verbleibt im Arbeitsraum. In anderen Worten ist das Werkstück 42 weiterhin so angeordnet, dass weiteres Druckausgangsmaterial an das Werkstück 42 mittels additiver Fertigung angebracht werden kann.The
Zwischen der Hüllstruktur 44 und der Innenfläche 50 kann eine weitere Dichtung angeordnet werden. Beispielsweise handelt es sich bei der Dichtung um ein Elastomer wie beispielsweise Silikon. Das Druckausgangsmaterial kann giftig sein. Dann sollte das Herausfallen zuverlässig unterbunden werden.Another seal may be placed between the
Die Hüllstruktur 44 wird so aufgebaut, dass ihre Hüllstruktur-Außenkontur einer Austragschacht-Innenkontur des Austragschachts 40 entspricht.The enveloping
Der Austragschacht hat eine Austragschachtlänge L, die vorzugsweise zumindest 10 Zentimeter beträgt. Es ist dann möglich, dass Werkstück 42 um beispielsweise 0,8 - L aus dem Arbeitsraum 16 herauszufahren.The discharge chute has a discharge chute length L, which is preferably at least 10 centimeters. It is then possible to move the
Nach dem Beenden des 3D-Druckverfahrens ist es vorteilhaft, das Druckausgangsmaterial 14 innerhalb der Hüllstruktur 44 zu entfernen, beispielsweise auszublasen oder abzusaugen. Danach kann die Hüllstruktur 44 entfernt werden.After the end of the 3D printing process, it is advantageous to remove the
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- 3D-Drucker3D printer
- 1212
- Druckausgangsmaterial-Einbring-vorrichtungPressure feedstock introduction device
- 1414
- Druckausgangsmaterialprint source material
- 1616
- Arbeitsraumworking space
- 1818
- Aushärteeinheit curing unit
- 2020
- LaserLaser
- 2222
- Laserstrahllaser beam
- 2424
- Umlenkeinheitdeflection unit
- 2626
- Rakelsqueegee
- 2828
- Roh-Werkstück raw workpiece
- 3030
- Steuereinheitcontrol unit
- 3232
- Arbeitsraumwandworkspace wall
- 3434
- BodenFloor
- 3838
- Durchgangsöffnung passage opening
- 4040
- Austragschachtdischarge chute
- 4141
- Werkstückteilworkpiece part
- 4242
- Werkstückworkpiece
- 4444
- Hüllstrukturshell structure
- 4646
- Dichtungpoetry
- 4848
- Passstück fitting piece
- 5050
- InnenflächeInner surface
- 5252
- Befestigungsvorrichtungfastening device
- 5454
- Verfahrvorrichtungtraversing device
- 5656
- Vorsprunghead Start
- 5858
- Kanalchannel
- 6060
- Sockel base
- EE
- Erstreckungsrichtungdirection of extension
- PP
- Aushärtepunktcuring point
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021123264.3A DE102021123264A1 (en) | 2021-09-08 | 2021-09-08 | Additive manufacturing process to produce a workpiece and 3D printer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102021123264.3A DE102021123264A1 (en) | 2021-09-08 | 2021-09-08 | Additive manufacturing process to produce a workpiece and 3D printer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021123264A1 true DE102021123264A1 (en) | 2023-03-09 |
Family
ID=85226619
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021123264.3A Pending DE102021123264A1 (en) | 2021-09-08 | 2021-09-08 | Additive manufacturing process to produce a workpiece and 3D printer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102021123264A1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102013213260A1 (en) | 2013-07-05 | 2015-01-08 | MTU Aero Engines AG | Method and device for repairing a damaged component of a gas turbine |
DE102016210356A1 (en) | 2016-06-10 | 2017-12-14 | Eos Gmbh Electro Optical Systems | Method and apparatus for providing a number of three-dimensional objects |
-
2021
- 2021-09-08 DE DE102021123264.3A patent/DE102021123264A1/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102016210356A1 (en) | 2016-06-10 | 2017-12-14 | Eos Gmbh Electro Optical Systems | Method and apparatus for providing a number of three-dimensional objects |
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