DE102022103071A1

DE102022103071A1 - Handhabungsgreifer und dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102022103071A1
Application number: DE102022103071.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Gabele; Axel Boi
Original assignee: Chiron Group SE
Current assignee: Chiron Group SE
Priority date: 2022-02-09
Filing date: 2022-02-09
Publication date: 2023-08-10

Abstract

Ein Verfahren erlaubt die Herstellung eines Bauteils (90) in Form eines Handhabungsgreifers (14, 16) mit erweiterter Funktionalität. Das Verfahren umfasst die Bereitstellung einer Anlage (20) zur additiven Fertigung mit einer Auftragsplatte (34) und einem Auftragskopf (38), wobei die Anlage (20) zumindest eine erste Auftragsdüse (80) für einen ersten Werkstoff, und eine zweite Auftragsdüse (82) für einen zweiten Werkstoff aufweist. Eine Datenverkörperung (112) des Handhabungsgreifers (14, 16), insbesondere eines 3D-Datensatzes, wird bereitgestellt, wobei die Datenverkörperung (112) einen Kern (126), der durch den ersten Werkstoff zu verkörpern ist, und eine Hülle (128) definiert, die durch den zweiten Werkstoff zu verkörpern ist. Ein Wechselbereich (94), der von einem auf Basis der Datenverkörperung (112) entstehenden Bauteil (90) beabstandet ist, wird auf der Auftragsplatte (34) definiert. Der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff werden dem Auftragskopf (38) zugeführt. Das Bauteil (90) wird additiv auf Basis der Datenverkörperung (112) durch wechselseitigen Auftrag des ersten Werkstoffs mit der ersten Auftragsdüse (80) und des zweiten Werkstoffs mit der zweiten Auftragsdüse (82) gefertigt, wobei der Auftragskopf (38) zum Werkstoffwechsel den Wechselbereich (94) anfährt, und wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff einander im Bauteil (90) flächig kontaktieren. Die Offenbarung betrifft ferner einen additiv aus einem ersten Werkstoff und einem zweiten Werkstoff erzeugten Handhabungsgreifer (14, 16).

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen additiv erzeugten Handhabungsgreifer sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils in Form eines Handhabungsgreifers.
Ein Handhabungsgreifer dient zur Handhabung von Bauteilen, beispielsweise Werkstücken oder Werkzeugen. Die Handhabung umfasst üblicherweise die Bewegung der Bauteile zwischen einer ersten und einer zweiten Position bzw. zwischen einer ersten und einer zweiten Orientierung. Beispielsweise wird ein Handhabungsgreifer zum Beladen und Entladen von Werkzeugmaschinen verwendet, um zu bearbeitende Teile zuzuführen und bearbeitete Teile abzuführen.
Demgemäß können Handhabungsgreifer für den Werkstückwechsel verwendet werden. Dies umfasst beispielhaft den Transfer in den Arbeitsraum oder aus dem Arbeitsraum. Die Handhabung von Werkstücken kann beispielhaft auch die Bestückung von Magazinen, Paletten, Rüstplätzen und Ähnliches betreffen. Gleichermaßen kann der Transfer zu Messstationen, Reinigungsplätzen und Ähnliches umfasst sein.
Handhabungsgreifer können auch für den Werkzeugwechsel verwendet werden. Dies kann das unmittelbare Einwechseln von Werkzeugen in Spindeln und sonstige Werkzeughalter betreffen, gleichermaßen das Auswechseln von Werkzeugen aus Spindeln und sonstigen Werkzeughaltern. Die Handhabung von Werkzeugen kann jedoch auch die Bestückung von Magazinen, den Transfer zu Messstationen, Abrichtstationen und Ähnliches betreffen.
Im Bereich der vollautomatisierten oder teilautomatisierten Fertigung sind Handhabungsgreifer und deren Greiferschenkel häufig spezifisch an die zu greifenden Bauteile (beispielsweise Werkstücke) angepasst. Die Greifer sind beispielhaft dazu ausgestaltet, das Bauteil formschlüssig und/oder kraftschlüssig zu greifen.
Es ist grundsätzlich bekannt, einzelne Komponenten von Greifern mittels additiver Verfahren (AM) herzustellen, vergleiche beispielhaft die DE 10 2018 205 337 A1 oder die WO 2014/131810 A1 .
Die DE 10 2018 205 337 A1 bezieht sich explizit auf Greifer mit Greifbacken, die über definierte Stoffgelenke auslenkbar sind. Es wird vorgeschlagen, die Greifbacke zumindest abschnittsweise mittels additiver Fertigung herzustellen.
Die WO 2014/131810 A1 bezieht sich auf pneumatische Greifer mit hohlen Greiferfingern, die pneumatisch auslenkbar sind, wobei die Greiferfinger mittels AM herstellbar sind. Die Greiferfinger werden mit einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt und können folglich ausgelenkt werden.
In der Fertigungstechnik, beispielsweise der spanabhebenden Fertigung, werden häufig anwendungsspezifisch gestaltete Greifereinheiten für Handhabungszwecke verwendet. Beispielhaft weist eine solche Greifereinheit eine Basis sowie zwei oder mehr Greifer auf, die etwa als Greiferschenkel gestaltet sind. Beispielhaft sind die Greifer gemeinsam mit der Basis U-förmig angeordnet. Über die Basis können die Greifer mit einem oder mehreren Aktoren gekoppelt werden, die zur Auslenkung der Greifer aktivierbar sind.
Die Greifer selbst sind regelmäßig an den zu greifenden Gegenstand (Werkstück, Werkzeug, Adapter für Werkstück oder Werkzeug, und dergleichen) angepasst und umfassen einen Greifabschnitt, der an die zu greifende Kontur angepasst ist. Das Greifen zu Handhabungszwecken kann formschlüssig und/oder kraftschlüssig erfolgen.
Die anwendungsspezifische Anpassung sorgt häufig für einen hohen Aufwand bei der Gestaltung und Fertigung der Greifereinheiten. Insbesondere die Greifer (Schenkel) sind häufig anwendungsspezifisch als Einzelfertigung oder in Kleinserie gefertigt. Die additive Fertigung bietet sich grundsätzlich für die Herstellung von Bauteilen in kleinen oder mittleren Losgrößen an.
Es sind mittlerweile 3D-Druck-Verfahren mit relativ hohen Auftragsraten bekannt, insbesondere für die Verarbeitung von Kunststoffen. Beispielsweise lassen sich mittels FDM (Fused Deposition Modeling) nennenswerte Auftragsraten für Kunststoff-Werkstoffe erzielen. Mittels FDM lassen sich strangförmige Filamente verarbeiten, die üblicherweise in Rollenform (als Coils) vorliegen. Die Filamente werden einem Auftragskopf zugeführt, üblicherweise erhitzt und im erweichten/geschmolzen Zustand aufgetragen. Durch Relativbewegungen zwischen Auftragskopf und Auftragsplatte lassen sich flächige und räumliche Gestaltungen erzeugen.
Hinsichtlich der verarbeitbaren Werkstoffe gibt es verschiedene Möglichkeiten. Üblicherweise werden mittels FDM Kunststoff-Filamente verarbeitet. Es gibt jedoch mittlerweile auch metallhaltige Filamente oder Metall-Filamente, die mittels FDM verarbeitbar sind.
Bei den Kunststoff-Filamenten gibt es verschiedene Bestrebungen hin zu höherer Festigkeit und Belastbarkeit. Beispielhaft gibt es Kunststoff-Filamente mit Faserverstärkung, etwa mit Kohlenstofffasern oder Glasfasern.
Es liegt also eine große Materialvielfalt vor. Es hat sich jedoch gezeigt, dass beispielsweise festigkeitsgesteigerte Kunststoff-Filamente nicht für sämtliche Anwendungsfälle geeignet sind. Nachteile können sich beispielsweise bei der Medienbeständigkeit und der Zähigkeit ergeben.
Aus diesen und anderen Gründen eignen sich derartige Werkstoffe nicht unbedingt für eine eins-zu-eins Ersetzung etablierter Gestaltungen, die auf konventionellen Werkstoffen (beispielsweise Metallwerkstoffen) und konventionellen Fertigungsverfahren beruhen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Offenbarung die Aufgabe zugrunde, einen Handhabungsgreifer sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Handhabungsgreifers anzugeben, die eine flexible und anwendungsspezifische Gestaltung des Handhabungsgreifers und eine schnelle Verfügbarkeit gewährleisten. Der Handhabungsgreifer soll robust einsetzbar und für Dauerbetrieb geeignet sein. Das Verfahren soll die schnelle Bereitstellung anwendungsspezifischer Handhabungsgreifer ermöglichen, wobei die Handhabungsgreifer serientaugliche Eigenschaften aufweisen.
Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils in Form eines Handhabungsgreifers, mit den folgenden Schritten:

- Bereitstellung einer Anlage zur additiven Fertigung mit einer Auftragsplatte und einem Auftragskopf, wobei die Anlage zumindest eine erste Düse für einen ersten Werkstoff, insbesondere einen ersten Kunststoffwerkstoff, und eine zweite Düse für einen zweiten Werkstoff, insbesondere einen zweiten Kunststoffwerkstoff, aufweist,
- Bereitstellung einer Datenverkörperung des Handhabungsgreifers, insbesondere eines 3D-Datensatzes, wobei die Datenverkörperung einen Kern, der durch den ersten Werkstoff zu verkörpern ist, und eine Hülle definiert, die durch den zweiten Werkstoff zu verkörpern ist,
- Definition eines Wechselbereichs auf der Auftragsplatte, der von einem auf Basis der Datenverkörperung entstehenden Bauteil beabstandet ist,
- Zuführen des ersten Werkstoffs zum Auftragskopf,
- Zuführen des zweiten Werkstoffs zum Auftragskopf, und
- additive Fertigung des Bauteils auf Basis der Datenverkörperung durch wechselseitigen Auftrag des ersten Werkstoffs mit der ersten Düse und des zweiten Werkstoffs mit der zweiten Düse, wobei der Auftragskopf zum Werkstoffwechsel den Wechselbereich anfährt, und wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff einander im Bauteil flächig kontaktieren.

Die offenbarungsgemäße Aufgabe wird auf diese Weise gelöst.
Das offenbarungsgemäße Verfahren erlaubt die flexible Gestaltung und Bereitstellung einer Vielzahl von Varianten. Anwendungsspezifisch lassen sich Bauteile der Losgröße 1 erzeugen. Es versteht sich, dass gleichwohl auch Kleinserien, mit der Serien oder Serien mit größerem Umfang möglich sind. Bauteile mit günstigen Eigenschaften lassen sich mit wenigen Fertigungsschritten integral erzeugen. Der Aufwand für etwaige Fertigungsmittel sinkt deutlich.
Insbesondere geht es um Werkstückgreifer oder Werkzeuggreifer, die zumindest teilweise elastisch sind. Auf diese Weise ist eine gewisse Nachgiebigkeit im operativen Betrieb gegeben. Wenn der oder die Handhabungsgreifer zumindest teilweise nachgiebig gestaltet sind, vereinfacht das den operativen Einsatz. Beispielsweise sorgt die Nachgiebigkeit für einen gewissen Toleranzausgleich beim Greifen und Handhaben von Teilen. Auf diese Weise sinkt die Gefahr für Beschädigungen sowohl bei den zu greifenden Teilen wie auch bei der Greifereinheit selbst. Beispielsweise lassen sich zwei offenbarungsgemäß erzeugte Handhabungsgreifer an einer Greiferbasis befestigen. Eine Greifereinheit umfasst beispielhaft zwei oder mehr offenbarungsgemäß erzeugte Handhabungsgreifer.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung erfolgt der wechselseitige Auftrag schichtweise. Mit anderen Worten wird das Bauteil schichtweise erzeugt, wobei die Erzeugung der Schichten üblicherweise einen Auftrag mit beiden Werkstoffen umfasst, beispielsweise nacheinander. Wenn eine Schicht abgeschlossen ist, kann die nächste (darüber liegende) Schicht gefertigt werden.
Ein und dieselbe Schicht kann durch den ersten und den zweiten Werkstoff erzeugt werden, wobei beispielsweise der erste Werkstoff den Kern und der zweite Werkstoff die Hülle ausbildet. Wenn ein Werkstoffwechsel erforderlich ist, fährt der Auftragskopf den Wechselbereich an. Der Wechselbereich wird beispielsweise durch eine Datenverkörperung eines Hilfsbauteils gebildet, das in bestimmter Relativlage zum eigentlichen Bauteil auf der Auftragsplatte angeordnet und gemeinsam mit dem Bauteil gefertigt wird. Der Werkstoffwechsel im Wechselbereich erlaubt eine genaue Trennung und Abgrenzung zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff beim eigentlichen Bauteil.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung erfolgt die Herstellung des Bauteils unter Verzicht auf spanabhebende (subtraktive) Bearbeitung. Wenn der Handhabungsgreifer im Wesentlichen oder ausschließlich durch additive Fertigung herstellbar ist, sinkt der Herstellaufwand weiter.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung werden zumindest der erste Werkstoff oder der zweite Werkstoff, vorzugsweise der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff, als Filament zugeführt. Dies erfolgt beispielsweise über eine Rolle (Coil). Die Verwendung von Filamenten erleichtert die Handhabung der Werkstoffe deutlich. Insbesondere können Werkstoffe mit verschiedenen Eigenschaften vorrätig gehalten werden, um diese bedarfsweise zu verwenden und miteinander zu kombinieren. Auch die Werkstoffzufuhr in der Anlage selbst kann sich auf diese Weise vereinfachen. Bei der Verwendung von Filamenten, die einem Druckkopf zugeführt werden, spricht man zuweilen auch vom 3D-Druck. Der Werkstoff kann raupenförmig oder tröpfchenweise aufgetragen werden.
Der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff können gezielt hinsichtlich ihrer Materialeigenschaften ausgewählt werden. Auf diese Weise können günstige Materialeigenschaft verschiedener mittels 3D-Druck verarbeitbarer Werkstoffe miteinander kombiniert werden, beispielsweise hinsichtlich Festigkeit, Elastizität, Materialverträglichkeit und ähnlichem.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung werden der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff flächig, insbesondere stoffschlüssig, miteinander gefügt. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ergibt sich zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung. Eine formschlüssige Verbindung kann auch die Verbindung zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff sichern. Dies wird etwa dann erreicht, wenn der die Hülle ausbildende zweite Werkstoff den den Kern ausbildenden ersten Werkstoff großflächig umschließt oder umgibt. Formschlusselemente können bei der integralen Fertigung mit erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung sind der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften derart aneinander angepasst, dass der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff während des additiven Auftrags zumindest abschnittsweise miteinander verschmelzen. Mit anderen Worten sind die Schmelztemperatur bzw. der Schmelztemperaturbereich des ersten und des zweiten Werkstoffs derart gewählt, dass während des Auftrages ein stoffschlüssiges Fügen (Verschmelzen) zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstoff ermöglicht ist. Es versteht sich, dass alternativ oder zusätzlich auch eine formschlüssige Verbindung vorstellbar ist.
Beispielsweise bei Kunststoffen liegt häufig ein gewisser Bereich für die Schmelztemperatur (Schmelztemperaturbereich) vor. Zusätzlich oder alternativ kann auf die Erweichungstemperatur bzw. die Verarbeitungstemperatur abgestellt werden. Auch dabei werden regelmäßig Bereiche angegeben. Die Wahl des ersten Werkstoffs des zweiten Werkstoffs sowie deren Verarbeitung erfolgt mit dem Ziel einer flächigen, möglichst stoffschlüssigen Verbindung während der additiven Fertigung.
Es ist also nicht unbedingt erforderlich, Formschlusselemente und Ähnliches oder gar separate Befestigungselemente (Schrauben, Schnappverbinder oder dergleichen) zu verwenden. In einer beispielhaften Ausgestaltung besteht der Handhabungsgreifer aus dem durch den ersten Werkstoff gebildeten Kern und die durch den zweiten Werkstoff gebildete Hülle. Durch die angepassten Bereiche für Schmelztemperatur bzw. Erweichungstemperatur und die darin angepasste Verarbeitungstemperatur kann eine feste Verbindung zwischen dem ersten Werkstoff (Kern) und den zweiten Werkstoff (Hülle) geschaffen werden. Dies erfolgt während einer integralen Fertigung des Bauteils in ein und derselben Anlage. Gleichwohl lassen sich bei der integralen Fertigung des Bauteils Formschlusselemente ohne großen Zusatzaufwand mit erzeugen.
Im Wechselbereich erfolgt ein „Umschalten“ zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstoff. Würde dies nicht im Wechselbereich erfolgen, würden sich unter Umständen undefinierte Übergänge zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff ergeben. Dies könnte die Integrität und Funktion des Bauteils beeinträchtigen. In einer beispielhaften Ausgestaltung fährt daher der Auftragskopf den Wechselbereich an, um dort - vom Bauteil selbst beabstandet - zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff umzuschalten. Sodann kann der Auftragskopf mit dem nun aktiven Werkstoff zum Bauteil selbst zurückfahren.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung erfolgt die additive Erzeugung mittels Fused Deposition Modeling (FDM), wobei das Bauteil schichtweise auf der Auftragsplatte erzeugt wird, wobei zumindest einige Schichten sowohl durch den ersten Werkstoff als auch durch den zweiten Werkstoff gebildet werden, und wobei insbesondere schichtweise zunächst der Kern mit dem ersten Werkstoff und danach die Hülle mit dem zweiten Werkstoff gefertigt wird.
Das Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren kann auch als Schmelzschichtverfahren bezeichnet werden. Umgangssprachlich spricht man bei dem FDM-Verfahren auch vom 3D-Druck. Das FDM-Verfahren eignet sich insbesondere zur Verarbeitung von Kunststoffwerkstoffen. Es lässt sich eine hohe Produktivität (mit hohen Auftragsraten) erreichen. Die Nutzung anderer 3D-Druckverfahren ist gleichwohl denkbar.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung wird das Bauteil scheibchenweise erzeugt. Zu diesem Zweck wird das geplante Bauteil in der Datenverkörperung in Schichten/Scheiben zerlegt. Jeweilige Scheiben oder Schichten umfassen im Regelfall - aber nicht notwendigerweise immer - sowohl den ersten Werkstoff als auch den zweiten Werkstoff. Üblicherweise enthält eine Schicht einen mit dem ersten Werkstoff gebildeten Kern und eine den Kern umgebende Hülle, die mit dem zweiten Werkstoff gefertigt ist. Es versteht sich, dass je nach Anordnung der Schicht (Randbereich, Bereich von Ausnehmungen durch das Bauteil, etc.) auch abweichende Gestaltungen vorstellbar sind. Üblicherweise erfolgt die Fertigung jedoch dergestalt, dass in einer Schicht zunächst der erste Werkstoff aufgetragen wird, um den Kern auszubilden, und dass danach der Kern (in dieser Schicht) von der Hülle umschlossen und nach außen abgegrenzt wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung wird für die additive Fertigung ein Auftragskopf mit einer ersten Auftragsdüse für den ersten Werkstoff und einer zweiten Auftragsdüse für den zweiten Werkstoff verwendet, die wechselseitig genutzt werden. In einer beispielhaften Ausgestaltung wird also abwechselnd (nicht gleichzeitig) mit ein und demselben Auftragskopf der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff als Baumaterial verarbeitet. Auf diese Weise kann mit einer Kinematik in einer Anlage ein Bauteil aus verschiedenen Werkstoffen hergestellt werden.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung ist zumindest eine der ersten Auftragsdüse und der zweiten Auftragsdüse in einem aktivierten und einem deaktivierten Zustand betreibbar. Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung können sowohl die erste Auftragsdüse als auch die zweite Auftragsdüse definiert in einen aktivierten und einen deaktivierten Zustand gebracht werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist zumindest die erste Auftragsdüse oder die zweite Auftragsdüse in ihrem deaktivierten Zustand im Auftragskopf versenkt. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist sowohl die erste Auftragsdüse als auch die zweite Auftragsdüse in ihrem jeweiligen deaktivierten Zustand im Auftragskopf versenkbar. Auf diese Weise kann die Gefahr einer Kollision der gerade nicht aktiven Auftragsdüse mit dem Bauteil reduziert werden.
Beispielsweise ist die jeweilige Auftragsdüse im deaktivierten Zustand versenkt. Beispielsweise ist die Auftragsdüse im aktivierten Zustand ausgefahren. Auf diese Weise lassen sich Kollisionen vermeiden.
In einer beispielhaften Ausgestaltung ist die Auftragsplatte beheizbar. In einer beispielhaften Ausgestaltung sind die erste Auftragsdüse und die zweite Auftragsdüse beheizbar. Auf diese Weise kann die Verarbeitungstemperatur gezielt eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der erste Kunststoff ein faserverstärkter Kunststoff. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der erste Werkstoff ein Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der erste Werkstoff ein Hochleistungsfilament mit hoher Festigkeit und hohem Biegemodul.
Beispielsweise handelt es sich um ein mit Kohlenstofffasern verstärktes Biopolymer, das unter der Bezeichnung GreenTEC Pro Carbon der Handelsmarke extrudr der FD3D GmbH, Klosterstraße 13, 6923 Lauterach, AT, vertrieben wird. Andere Kunststoffe mit Faserverstärkung sind grundsätzlich vorstellbar. Es muss sich nicht notwendigerweise um ein Biopolymer handeln.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung ist der erste Werkstoff ein faserverstärktes Filament mit hoher Festigkeit (hohes Elastizitätsmodul, hohes Biegemodul). Es hat sich gezeigt, dass auf diese Weise für den Kern und folglich das gesamte Bauteil eine hohe Festigkeit erzielbar ist. Dies führt insgesamt zu einer steifen und trotzdem elastischen Gestaltung des Handhabungsgreifers. Es lassen sich auf diese Weise Handhabungsgreifer erzeugen, die als Ersatz für Handhabungsgreifer aus Metallwerkstoffen dienen können.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der zweite Werkstoff ein PET-basierter Kunststoff ist, insbesondere ein PETG Kunststoff. Bei Verwendung eines PET-basierten Filament, beispielsweise einem PETG-Filament als zweiter Werkstoff kann eine schützende Hülle für den ersten Werkstoff geschaffen werden.
Polyethylenterephthalat (Kurzzeichen PET) ist ein durch Polykondensation hergestellter thermoplastischer Kunststoff aus der Familie der Polyester. PETG ist ein mit Glycol modifiziertes PET mit günstigen Eigenschaften für die additive Fertigung.
PET und PETG sind relativ verschleißbeständig. PET und PETG sind hinreichend Medien beständig, insbesondere im üblichen Umfeld der spanenden Fertigung. Dies betrifft beispielsweise die Beständigkeit gegen Öl, gegen Hydrauliköl, gegen Kühlschmiermittel und ähnliche Prozessfluide. Ferner kann die durch den zweiten Werkstoff gebildete Hülle als Verschleißschutzschicht dienen, etwa beim Kontakt mit Spänen und sonstigen Verschmutzungen. Solange die Verschleißschutzschicht intakt ist, ist der durch den ersten Werkstoff gebildete Kern gut geschützt, so dass die mechanische Stabilität und Integrität des Handhabungsgreifers gewahrt ist.
Es hat sich gezeigt, dass Hochleistungskunststoffe für die additive Fertigung medienempfindlich und gegebenenfalls stoßempfindlich sein können. Ferner sorgt beispielhaft die Faserverstärkung für erhöhten Verschleiß beim unmittelbaren Kontakt mit anderen (üblicherweise metallischen) Bauteilen.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung ist der erste Werkstoff ein faserverstärkter Kunststoff und der zweite Werkstoff ein PET-basierter Kunststoff ohne Faserverstärkung. Der erste Werkstoff bildet einen festen Kern mit hoher Steifigkeit. Der zweite Werkstoff bildet eine schützende Hülle.
Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung weist der zweite Werkstoff eine bessere Medienbeständigkeit als der erste Werkstoff auf. Dies betrifft beispielhaft die Ölbeständigkeit, die Beständigkeit gegen Kühlmittel oder Kühlschmiermittel. Bei der Verwendung im Lebensmittelbereich sollen außenliegende Werkstoffe lebensmittelgerecht sein.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist der erste Werkstoff elastischer als der zweite Werkstoff. Auf diese Weise kann der Handhabungsgreifer beträchtliche Lasten bzw. Verformungen ertragen, ohne dass bleibende Schäden am Kern entstehen. Gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung hat der erste Werkstoff ein Elastizitätsmodul bzw. ein Biegemodul, der zumindest um den Faktor 1.5, vorzugsweise zumindest um den Faktor 2.0, weiter bevorzugt zumindest um den Faktor 2.5 größer als der Elastizitätsmodul bzw. Biegemodul des zweiten Werkstoffs ist.
Elastizität ist die Eigenschaft eines Körpers oder Werkstoffes, unter Krafteinwirkung seine Form zu verändern und bei Wegfall der einwirkenden Kraft in die Ursprungsform zurückzukehren. Ein hoher Elastizitätsmodul für den ersten Werkstoff sagt aus, dass ein damit gebildeter Körper eine hohe Steifigkeit aufweist, es sind beträchtliche Kräfte und Spannungen erforderlich, um einen bestimmten Verformungsgrad zu erzielen. Im elastischen Bereich sind die Verformungen (vollständig oder nahezu vollständig) reversibel.
Der Elastizitätsmodul des zweiten Werkstoffs ist geringer, damit ist der zweite Werkstoff weniger steif. Auf diese Weise kann sich die Schutzfunktion für den Kern aus dem ersten Werkstoff ergeben. Die Hülle aus dem zweiten Werkstoff kann die Verformungen des Bauteils, insbesondere die Verformungen des steifen Kerns, nachvollziehen. Die Hülle ist hinreichend elastisch verformbar.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung wird auch im Wechselbereich ein Materialauftrag erzeugt, wobei die aktuelle Bauhöhe im Wechselbereich der aktuellen Bauhöhe des Bauteils entspricht. Mit anderen Worten wird im Wechselbereich ein Hilfsbauteil (Dummy) erzeugt, das zusätzlich zum gewünschten Bauteil (Handhabungsgreifer) entsteht. Auch im Wechselbereich erfolgt üblicherweise ein schichtweiser Materialauftrag.
Im Wechselbereich entsteht beispielsweise ein Türmchen mit gleicher Bauhöhe wie das Bauteil. Dieses Türmchen kann auch als sogenannter Wischturm bezeichnet werden. Im Wechselbereich können beim Wechsel zwischen den beiden Werkstoffen bzw. deren Auftragsdüsen Tropfen, „Nasen“ und dergleichen abgestrichen werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung wird im Wechselbereich ein Hilfsbauteil erzeugt, bei dem durch den ersten Werkstoff ein Kern und durch den zweiten Werkstoff ein Mantel erzeugt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise anhand des Hilfsbauteils geprüft werden, inwieweit die gewünschte feste Verbindung zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff realisiert wurde. Mit anderen Worten kann das Hilfsbauteil für die Qualitätssicherung genutzt werden, zumindest in beispielhaften Ausgestaltungen. Ein solches Hilfsbauteil entsteht beispielsweise in einer eins-zu-eins Zuordnung zum eigentlichen Bauteil (bzw. zu einem aktuellen Bauauftrag). Daher erlaubt das Hilfsbauteil qualitätsprüfende und qualitätssichernde Maßnahmen, insbesondere eine zerstörende Prüfung, ohne dass das eigentliche Bauteil (Handhabungsgreifer) beschädigt oder zerstört werden muss.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung ist das Hilfsbauteil vom Bauteil beabstandet auf der Auftragsplatte angeordnet, wobei der Auftragskopf entlang eines Verbindungspfades zwischen dem Bauteil und dem Hilfsbauteil bewegt wird. Der Verbindungspfad ist beispielsweise hinreichend zu einer Silhouette des Bauteils versetzt. Auf diese Weise werden nachteilige Einflüsse auf die Bauteilqualität reduziert.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung werden bei der additiven Fertigung Befestigungsausnehmungen in dem den Handhabungsgreifer bildenden Bauteil erzeugt, insbesondere Durchgangslöcher, wobei Mantelflächen der Befestigungsausnehmungen durch den zweiten Werkstoff ausgebildet werden. Auf diese Weise kann der Handhabungsgreifer mittels konventioneller Befestigungsverfahren an eine Greiferbasis angekoppelt werden. Die Befestigungsausnehmungen sind beispielsweise im Montageabschnitt angeordnet. Der Montageabschnitt kann hinsichtlich der zu erzielenden Stabilität und Festigkeit optimiert werden. Dies kann beispielsweise Wanddicken, Querschnitte und Kontaktflächen betreffen.
Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Offenbarung auf einen additiv erzeugten Handhabungsgreifer, insbesondere hergestellt gemäß einem offenbarungsgemäßen Verfahren, mit einer ersten Komponente aus einem ersten Werkstoff, die einen Kern ausbildet, und einer zweiten Komponente aus einem zweiten Werkstoff, die eine Hülle ausbildet und den Kern umgibt, wobei die erste Komponente und die zweite Komponente integral gefertigt sind und gemeinsam einen Montageabschnitt und einen Greifabschnitt ausbilden, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff einander flächig kontaktieren .
Auch auf diese Weise wird die offenbarungsgemäße Aufgabe gelöst.
Insbesondere ist der Handhabungsgreifer hergestellt durch anhand zumindest einer der hierin beschriebenen Ausgestaltungen veranschaulichte offenbarungsgemäße Verfahren. Das offenbarungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung eines offenbarungsgemäßen Handhabungsgreifers.
Der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff sind derart gewählt, dass die jeweilige Schmelztemperatur bzw. der jeweilige Schmelztemperaturbereich einander ähnlich sind, zumindest in einem Maße, dass ein stoffschlüssiges Fügen während der additiven Fertigung ermöglicht, insbesondere während der additiven Fertigung mittels FDM. Beispielhaft weisen der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff einander zumindest abschnittsweise überlappende Schmelztemperaturbereiche auf.
Der Schichtaufbau sowie der stoffschlüssig gefügte Zustand zwischen der ersten Komponente und der zweiten Komponente kann beispielhaft anhand eines Schliffbildes mikroskopisch und makroskopisch geprüft und nachgewiesen werden. Es versteht sich, dass andere zerstörende und zerstörungsfreie Prüfverfahren vorstellbar sind.
Der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff sind hinsichtlich ihrer gewünschten Eigenschaften gezielt ausgewählt. Der erste Werkstoff stellt beispielhaft die gewünschten mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Elastizität, Nachgiebigkeit) des Handhabungsgreifers bereit. Der zweite Werkstoff sorgt beispielsweise für eine Abschirmung und einen Schutz des aus dem ersten Werkstoff bestehenden Kerns.
Der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff sind hinreichend zueinander kompatibel. Kompatibel im Sinne der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf die Verarbeitung in der additiven Fertigung (3D-Druck). Der erste und der zweite Werkstoff sind in einer beispielhaften Ausgestaltung derart kompatibel, dass mit einer Anlage zur additiven Fertigung mit einem Auftragskopf, der zwei Düsen aufweist, der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff verarbeitet werden können. Dem ersten Werkstoff ist eine erste Düse zugeordnet. Dem zweiten Werkstoff ist eine zweite Düse zugeordnet. In einer beispielhaften Ausgestaltung nutzen beide Düsen die gegebene Kinematik für den Auftragskopf. Jede der beiden Düsen ist mit einer Materialversorgung für Baumaterial (üblicherweise Filamente) gekoppelt. In einer beispielhaften Ausgestaltung ist der Auftragskopf in zumindest einer Achse, vorzugsweise zwei Achsen, verfahrbar. Auf diese Weise kann auf einer gegebenen Ebene (normal zur Z-Richtung) der erste Werkstoff und auch der zweite Werkstoff aufgetragen werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des additiv erzeugten Handhabungsgreifers sind der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff formschlüssig miteinander gefügt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des additiv erzeugten Handhabungsgreifers weisen der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff aufeinander abgestimmte Schmelztemperaturen auf, wobei die erste Komponente und die zweite Komponente stoffschlüssig und direkt miteinander gefügt sind.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des additiv erzeugten Handhabungsgreifers weist der erste Werkstoff eine höhere Festigkeit als der zweite Werkstoff auf, wobei der zweite Werkstoff eine höhere Medienbeständigkeit als der erste Werkstoff aufweist.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Offenbarung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und Erläuterung mehrerer beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:

1: eine schematische Ansicht einer Greifereinheit mit zwei Handhabungsgreifern;
2: eine schematische perspektivische Ansicht einer Anlage zur additiven Fertigung;
3: eine schematische frontale Ansicht einer Anlage zur additiven Fertigung;
4: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines additiv zu fertigenden Handhabungsgreifers;
5: eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer Datenverkörperung zur Fertigung des Handhabungsgreifers gemäß 4;
6: eine perspektivische Schnittansicht einer Ausführungsform eines additiv gefertigten Handhabungsgreifers;
7: eine geschnittene Längsansicht des Handhabungsgreifers gemäß 6, zur Veranschaulichung einer Fertigungsschicht;
8: eine perspektivische Ansicht eines Längsschnitts durch ein additiv gefertigtes Bauteil sowie ein Hilfsbauteil in einem ersten Fertigungszustand;
9 eine perspektivische Ansicht eines Längsschnitts durch das additiv gefertigte Bauteil sowie das Hilfsbauteil gemäß 8 in einem zweiten Fertigungszustand;
10 eine perspektivische Ansicht eines Längsschnitts durch das additiv gefertigte Bauteil sowie das Hilfsbauteil gemäß 8 und 9 in einem dritten Fertigungszustand; und
11 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung einer beispielhaften Ausgestaltung eines Verfahrens zur additiven Herstellung eines Handhabungsgreifers.

1 veranschaulicht anhand einer schematischen Darstellung eine beispielhafte Ausgestaltung einer insgesamt mit 10 bezeichneten Greifereinheit. Die Greifereinheit 10 umfasst im Ausführungsbeispiel eine Greiferbasis 12, die einen ersten Handhabungsgreifer 14 und einen zweiten Handhabungsgreifer 16 umfasst. Die Handhabungsgreifer 14, 16 werden nachfolgend als Greifer bezeichnet. Die Greifer 14, 16 bilden Schenkel der Greifereinheit 10. Die Greiferbasis 12 umfasst beispielhaft einen Aktuator, der die Greifer 14, 16 bedarfsweise schließt und öffnet, um einen Gegenstand greifen, handhaben und abgeben zu können. Bei dem Gegenstand handelt sich beispielhaft um ein Werkstück. Es kann sich ferner auch um ein Werkzeug handeln.
Die Greifereinheit 10 wird im Fertigungsumfeld verwendet, beispielsweise im Bereich der spanenden Fertigung. Bei der spanenden Fertigung dienen die Greifereinheiten 10 regelmäßig zur Handhabung von Metallwerkstücken. Dies bedingt eine gewisse Festigkeit der Handhabungsgreifer 14, 16. Ferner muss bei der spanenden Fertigung häufig mit Verschmutzungen, Prozessfluiden und ähnlichem gerechnet werden. Dies stellt gewisse Randbedingungen hinsichtlich der Medienverträglichkeit und Beständigkeit der Handhabungsgreifer 14, 16.
Die Greifereinheit 14 ist beispielsweise dazu ausgebildet, Werkstücke (Fertigteile, Rohteile oder Halbzeuge) formschlüssig und/oder kraftschlüssig zu halten. Wenn eine Fertigungsanlage nach der Fertigung eines ersten Werkstücktyps umgerüstet wird, um einen anderen Werkstücktyp zu fertigen, müssen häufig auch die Greifer 14, 16 bzw. die Greifereinheiten 10 angepasst oder gar ausgetauscht werden.
Mit Bezugnahme auf die 2 und 3 werden anhand einer perspektivischen Darstellung (2) sowie einer schematischen Frontalansicht beispielhafte Ausgestaltungen einer Anlage 20 zur additiven Fertigung (AM-Anlage) veranschaulicht. Beispielhaft handelt es sich bei der Anlage 20 um eine DED-Anlage zur additiven Fertigung.
Die Anlage 20 weist eine Basis 24 und ein Gehäuse 26 auf. Die Basis 24 und das Gehäuse 26 umgeben einen Bauraum 30. Im Bauraum 30 ist eine Auftragsplatte 34 angeordnet. Die Auftragsplatte 34 kann auch als Auftragstisch bezeichnet werden. Ferner ist im Bauraum 30 eine Auftragskopf 38 angeordnet, über den ein Materialauftrag auf der Auftragsplatte 34 erfolgen kann.
In 2 veranschaulicht das Bezugszeichen 42 eine Kinematik, die beispielsweise als kartesische Kinematik (X-Y-Z) gestaltet ist. Die Kinematik 42 sorgt für eine geeignete Relativbewegung zwischen dem Auftragskopf 38 sowie der Auftragsplatte 34. Beispielhaft ist die Auftragsplatte 34 vertikal (Z-Richtung) verfahrbar. Beispielhaft ist der Auftragskopf 38 horizontal (X-Richtung und Y-Richtung) verfahrbar. Dies ist nicht einschränkend zu verstehen.
Eine Führung für die Bewegung in X-Richtung ist in 2 mit 46 bezeichnet. Eine Führung für die Bewegung Y-Richtung ist in 2 mit 48 bezeichnet. Eine Führung für die Bewegung in Z-Richtung ist in 2 mit 50 bezeichnet. Beispielsweise wird die Auftragsplatte 34 entlang der Z-Richtung schrittweise angehoben, um nacheinander Schichten des herzustellenden Bauteils durch Materialauftrag zu erzeugen. Auf diese Weise kann das Bauteil schichtweise (in Scheiben) hergestellt werden.
Der Auftragskopf 38 wird über eine Versorgungsleitung 54 mit Energie, Signalen (Steuerbefehle, Sensorsignale und Ähnliches) und dem Baumaterial versorgt. Das Baumaterial liegt beispielhaft in Form eines auf einer Rolle 58 angeordneten Filaments 62 vor. Auf diese Weise verringert sich der Aufwand für die Materialbereitstellung. Ein Wechsel zwischen verschiedenen Materialtypen kann einfach vonstattengehen. Der Auftragskopf 38 und die Anlage 20 insgesamt können mit geringem Aufwand für verschiedene Materialtypen ertüchtigt werden. Es versteht sich, dass bei bestimmten Ausführungsformen in Abhängigkeit vom gewählten Materialtyp auch der Auftragskopf 38 zu wechseln ist.
In 2 ist ferner mit 66 eine Steuereinheit angedeutet, über die die Anlage 20 betrieben, gesteuert und überwacht werden kann. Es versteht sich, dass die Anlage 20 regelmäßig auch über externe Einheiten (beispielsweise PC mit geeigneter Schnittstelle und Datenleitung) angesteuert werden kann. Dies betrifft regelmäßig auch die Übermittlung von CAD-basierten Fertigungsdaten (Datenverkörperung in der zu fertigenden Bauteile).
Auf Basis der Darstellung gemäß 2 veranschaulicht 3 eine weitere Ausgestaltung der Anlage 20. Die Anlage 20 umfasst die Basis 24 und das Gehäuse 26, die den Bauraum 30 definieren. Im Bauraum 30 ist die Auftragsplatte 34 angeordnet. Eine Auftragskopf 38 dient zum Materialauftrag. Relativbewegungen zwischen der Auftragslage 34 und dem Auftragskopf 38 können über eine geeignete Kinematik (vergleiche Bezugszeichen 42 in 2) erzeugt werden. Zu Steuerungszwecken ist die Steuereinheit 66 vorgesehen, die in 3 lediglich schematisch angedeutet ist.
Die Anlage 20 gemäß 3 ist dazu befähigt, einen ersten Werkstoff in Form eines ersten Filaments 62 zu verarbeiten. Zusätzlich wird jedoch ein zweites Filament 72 bereitgestellt, es kann also ein zweiter Werkstoff in Form des zweiten Filaments 72 verarbeitet werden. Die Werkstoffe können sich voneinander unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, der Medienbeständigkeit, der Temperaturbeständigkeit, der thermischen Eigenschaften und dergleichen. Auf diese Weise lassen sich mit nur einer Anlage 20 und einem Auftragskopf 38 zwei Werkstoffe miteinander kombinieren. Dies schließt nicht aus, dass gegebenenfalls auch drei oder mehr Werkstoffe miteinander kombiniert werden.
Das Filament 62 ist im Ausführungsbeispiel auf einer Rolle 58 gelagert. Das Filament 72 ist im Ausführungsbeispiel auf einer Rolle 68 gelagert. Das Filament 62 wird dem Auftragskopf 38 über eine Zuführung 74 zugeführt. Das Filament 72 wird dem Auftragskopf 38 über eine Zuführung 76 zugeführt.
Der Auftragskopf 38 der Anlage 20 gemäß 3 weist eine erste Auftragsdüse 80 und eine zweite Auftragsdüse 82 auf. Auf diese Weise können unterschiedliche Baumaterialien mit ein und demselben Auftragskopf 38 verarbeitet werden. Dies kann in sehr engem zeitlichen Zusammenhang erfolgen, beispielsweise unmittelbar oder nahezu unmittelbar nacheinander. Die erste Auftragsdüse 80 dient zur Verarbeitung des ersten Werkstoffs (Filament 62). Die zweite Auftragsdüse 82 dient zur Verarbeitung des zweiten Werkstoffs (Filament 72).
In 3 ist die erste Auftragsdüse 80 teilweise in einem Gehäuse 84 des Auftragskopfes 38 versenkt. Die zweite Auftragsdüse 82 ist hingegen in Richtung auf die Auftragsplatte 34 aus dem Gehäuse 84 ausgefahren. Vergleiche hierzu auch den mit 86 bezeichneten Doppelpfeil. Auf diese Weise lassen sich Kollisionen der gerade nicht aktiven Auftragsdüse mit dem Bauteil vermeiden. Der Auftragskopf 38 ist üblicherweise beheizbar, zumindest im Bereich der Auftragsdüse 80, 82. Auf diese Weise kann das als Filament 62, 72 zugeführte Baumaterial erweicht und zumindest teilweise angeschmolzen werden. Sodann kann ein Materialauftrag auf der Auftragsplatte 34 oder auf einer zuvor schon aufgetragenen Schicht erfolgen. Auf diese Weise kann ein Bauteil 90 auf der Auftragsplatte 34 erzeugt werden. Üblicherweise ist auch die Auftragsplatte 34 beheizbar.
In 3 ist ferner mit 92 ein Hilfsbauteil angedeutet. Das Hilfsbauteil 92 weist im Ausführungsbeispiel die gleiche Höhe (ausgehend von der Auftragsplatte 34) wie das Bauteil 90 auf. Das Hilfsbauteil 92 kann beispielsweise als Wischturm bezeichnet werden. Das Hilfsbauteil 92 wurde in einem Wechselbereich 94 erzeugt (in 3 durch gestrichelte Linien dargestellt).
Im Wechselbereich 94 erfolgt eine „Umschalten“ zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff. Dies umfasst eine Aktivierung einer der beiden Auftragsdüsen 80, 82 sowie der zugeordneten Zuführung 74, 76. Die andere der beiden Auftragsdüsen 80, 82 sowie deren zugeordnete Zuführung 74, 76 wird deaktiviert. Das „Umschalten“ umfasst beispielsweise auch ein Einfahren/Zurückziehen der deaktivierten Auftragsdüse 80, 82 in den Auftragskopf 38 bzw. in dessen Gehäuse 84 sowie ein Ausfahren/Hinausschieben der anderen Auftragsdüse 80, 82.
Der Umschaltvorgang erfolgt im Ausführungsbeispiel im Wechselbereich 94 und nicht im Bereich des Bauteils 90. Im Wechselbereich kann ein Hilfsbauteil 92 gefertigt werden, dessen Höhenniveau (über der Auftragsplatte 34) dem aktuellen Höhenniveau des Bauteils 90 entspricht. Auf diese Weise kann auch im Wechselbereich 94 das erweichte Baumaterial beim Wechsel zwischen den Werkstoffen abgestreift/abgewischt werden. Es ist eine Haftung an und mit einer darunterliegenden Schicht möglich.
Ferner kann das Hilfsbauteil 92 im Wechselbereich für qualitätsüberwachende und qualitätssichernde Maßnahmen genutzt werden. Beispielsweise kann anhand des Hilfsbauteils 92 geprüft werden, wie gut der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff miteinander gefügt wurden. Ferner lassen sich Rückschlüsse auf mechanische Eigenschaften und sonstige Eigenschaften des Bauteils 90 ziehen.
Ein Vorteil der Gestaltung mit zwei Auftragsdüse 80, 82 ist, dass nur eine Kinematik für den Auftragskopf 38 und die Auftragsplatte 34 notwendig ist. Trotzdem lassen sich mehrere Werkstoffe verarbeiten. In einer beispielhaften Ausgestaltung kann der Wechsel zwischen einem ersten Werkstoff und einem zweiten Werkstoff während des Auftrags einer (ein und derselben) Schicht erfolgen, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Wechsels zwischen den Werkstoffen im Wechselbereich 94.
Durch die Kombination des ersten Werkstoffs und des zweiten Werkstoffs lassen sich für additiv gefertigte Bauteile neue Anwendungsfelder erschließen. Beispielsweise können hochfeste Werkstoffe, die eine nur begrenzte Medienbeständigkeit haben, mit medienbeständigen Werkstoffen kombiniert werden. In einem solchen Fall bildet der medienbeständigere Werkstoff eine Schutzhülle für den hochfesten Werkstoff.
Die 4 und 5 veranschaulichen das Bauteil 90 (vergleiche die Darstellung der Greifer 14, 16 in 1) in einer liegenden Orientierung, die im Ausführungsbeispiel einer Draufsicht auf die Bauplatte 34 aus Sicht des Auftragskopfes 38 entspricht. Im Ausführungsbeispiel wird diese Orientierung für die Fertigung gewählt. Das Bauteil 90 liegt mit seiner Flachseite auf der Auftragsplatte 34 auf. Die in 4 gezeigt Orientierung ist nicht einschränkend zu verstehen.
Das als Greifer 14, 16 dienende Bauteil 90 umfasst beispielhaft einen Greifabschnitt 102 sowie einen Montageabschnitt 104. Im Montageabschnitt 104 ist eine Montageschnittstelle 106 ausgebildet, im Ausführungsbeispiel gemäß 4 handelt es sich um eine Anlagefläche.
Auf Basis der geplanten Gestaltung gemäß 4 wird eine Datenverkörperung 112 des Bauteils 90 bereitgestellt, vergleiche 5. Zu Zwecken der additiven Fertigung wird ferner eine Datenverkörperung 114 des Hilfsbauteils 92 (vergleiche 3) bereitgestellt. Auf diese Weise können CAM-Daten (CAM - Computer Aided Manufacturing) erzeugt werden, auf deren Basis die Anlage 20 zur Fertigung des Bauteils 90 gesteuert wird.
Ferner veranschaulicht 5 einen Pfad 116, der von der Datenverkörperung 112 des Bauteils 90 und von der Datenverkörperung 114 des Hilfsbauteils 92 beabstandet ist. Entlang des Pfades 116 kann der Auftragskopf 38 mit den Auftragsdüsen 80, 82 beim Wechsel zwischen dem Bauteil 90 (Auftragsbereich) und dem Wechselbereich 94 verfahren werden. Entlang des Pfades 116 wird jedoch üblicherweise nicht die Bauhöhe des Bauteils 90 bzw. des Hilfsbauteils 92 erreicht. Dies ist nicht einschränkend zu verstehen.
6 und 7 veranschaulichen Schnittansichten des Bauteils 90. 6 zeigt einen Querschnitt, quer zum Schichtaufbau des Bauteils 90. 7 zeigt einen Längsschnitt, der sich entlang einer Schicht des Bauteils 90 erstreckt.
Das Bauteil 90 erstreckt sich zwischen der Montageschnittstelle 106, die dem Montageabschnitt 104 zugeordnet ist und dem Greifabschnitt 102. Bei der Montageschnittstelle 106 liegt das Bauteil 90 beispielhaft an der Greiferbasis 12 (1) an. Wenn sich zwei oder mehr Greifer (vergleiche die Greifer 14, 16 gemäß 1) gegenüberliegen, können deren Greifabschnitte 102 ein zu greifendes Teil (Werkstück, Werkzeug und dergleichen) zwischen sich halten und sichern.
Die Schnittebene gemäß 7 erstreckt sich durch mit 120, 122 bezeichnete Montageausnehmungen. Durch die Montageausnehmungen 120, 122 können Befestigungselemente (Schrauben oder dergleichen) geführt werden, um das Bauteil 90 über dessen Montageschnittstelle 106 an einer Greiferbasis 12 (1) festzulegen. Die Montageausnehmungen 120, 122 umfassen beispielsweise Durchgangslöcher und Anlageflächen für Schrauben, Bolzen, Muttern und Ähnliches.
Ein offenbarungsgemäßer Aspekt betrifft die Fertigung des Bauteils 90 aus zwei verschiedenen Werkstoffen. In den 6 und 7 ist mit 126 anhand einer ersten Schraffierung ein Kern und mit 128 anhand einer zweiten Schraffierung eine Hülle dargestellt. Der Kern 126 wird mit dem ersten Werkstoff gefertigt. Die Hülle 128 wird mit dem zweiten Werkstoff gefertigt. Das Bauteil 90 wird schichtweise additiv gefertigt, beispielsweise mittels DED. Die im Längsschnitt gemäß 7 gezeigte Schicht umfasst sowohl den Kern 126 wie auch die Hülle 128. Ferner zeigt sich anhand der 6 und 7, dass auch im Bereich der Ausnehmungen 120, 122 die Oberfläche des Bauteils 90 durch die Hülle 128, mithin den zweiten Werkstoff bedeckt ist.
Der erste Werkstoff bildet den Kern 126 aus und sorgt insbesondere für die mechanische Festigkeit und Steifigkeit des Bauteils. Der zweite Werkstoff bildet die Hülle 128 aus und sorgt insbesondere für eine erhöhte Medienbeständigkeit und/oder Verschleißbeständigkeit und schützt damit den Kern 126.
Anhand der 8-10 wird der Fertigungsablauf zur Herstellung des Bauteils 90 und des diesem zugeordneten Hilfsbauteils 92 veranschaulicht. 8 zeigt einen Zustand am Anfang der additiven Fertigung (Höhe der aktuellen Schicht nahe der Auftragsplatte 34). 9 zeigt einen mittleren Zustand, etwa nach der Hälfte der additiven Fertigung. 10 veranschaulicht einen finalen Zustand unmittelbar nach dem Abschluss der additiven Fertigung des Bauteils 90 und des Hilfsbauteils 92.
Das Bauteil 90 weist den Kern 126 und die Hülle 128 auf. Die Hülle 128 umgibt den Kern 126. In ähnlicher Weise weist auch das Hilfsbauteil 92 einen Kern 132 und eine Hülle 134 auf. Die Hülle 134 umgibt den Kern 132. Der Fertigungsstand gemäß 9 entspricht etwa dem Längsschnitt gemäß 7. Auch im Bereich etwaiger Ausnehmungen ist der Kern 126 des Bauteils 90 von der Hülle 128 umgeben.
10 zeigt den finalen Zustand, zumindest betreffend den additiven Auftrag. Beim Bauteil 90 ist von außen nur noch die Hülle 128 sichtbar. Die Hülle 128 umschließt im Ausführungsbeispiel den Kern 126 vollständig und allseitig. In ähnlicher Weise umschließt beim Hilfsbauteil 92 die Hülle 134 den Kern 132, dies muss jedoch nicht notwendigerweise vollständig und allseitig erfolgen. Das turmartige Hilfsbauteil 92 kann für fertigungsbegleitende Prüfungen und Qualitätssicherungsmaßnahmen genutzt werden.
11 erläutert anhand eines schematischen Blockdiagramms eine beispielhafte Ausgestaltung eines Verfahrens zur Herstellung eines Handhabungsgreifers.
Das Verfahren umfasst einen Schritt S10, der die Bereitstellung einer Anlage zur additiven Fertigung betrifft. Die Anlage umfasst eine Auftragsplatte und einen Auftragskopf mit einer ersten Auftragsdüse und einer zweiten Auftragsdüse. Auf diese Weise ist die Anlage dazu ausgebildet, mit der ersten Auftragsdüse einen ersten Werkstoff und mit der zweiten Auftragsdüse einen zweiten Werkstoff aufzutragen. Das Baumaterial (erster und zweiter Werkstoff) wird üblicherweise in Filamentform (auf Rollen und dergleichen) bereitgestellt. Es handelt sich insbesondere um Kunststoffe oder um Werkstoffe auf Kunststoffbasis, etwa faserverstärkte Kunststoffe.
Es schließt sich ein Schritt S12 an, der die Bereitstellung einer Datenverkörperung des zu fertigenden Bauteils (Handhabungsgreifer) betrifft. Dies umfasst üblicherweise die Bereitstellung und Verarbeitung von CAD-Daten, um der Anlage Steuerungsdaten (CAM-Daten) für die Fertigung zur Verfügung zu stellen.
Es schließt sich ein Schritt S14 an, der die Definition eines Wechselbereichs umfasst. Der Schritt S14 berücksichtigt den Umstand, dass ein erster Werkstoff und ein zweiter Werkstoff verarbeitet werden, und zwar mit ein und derselben Auftragsdüse. Regelmäßig muss während der additiven Erzeugung einer Schicht des Bauteils zumindest einmal zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff gewechselt werden. Dies umfasst die Deaktivierung der zuvor aktiven Auftragsdüse und die Aktivierung der zuvor inaktiven Auftragsdüse. Ferner wird die Zuführung des zuvor genutzten Baumaterials eingestellt. Dagegen wird das andere Baumaterial zugeführt.
Dieser Wechsel erfolgt vorzugsweise in einem Bereich, der vom eigentlichen Bauteil beabstandet ist. Auf diese Weise werden Beeinträchtigungen der Bauteilqualität durch den Wechsel vermieden. Zu diesem Zweck wird im Wechselbereich beispielsweise eine turmförmige Struktur in Form eines Hilfsbauteils definiert, die gemeinsam mit dem eigentlichen Bauteil Schicht für Schicht erzeugt wird.
Während der Fertigung werden sowohl ein erster als auch ein zweiter Werkstoff verarbeitet. Dies umfasst eine Materialzuführung für den ersten Werkstoff im Schritt S16 und eine Materialzuführung für den zweiten Werkstoff im Schritt S18. Der Schritt S20 betrifft einen additiven Auftrag des ersten Werkstoffs mit einer ersten Auftragsdüse. Der Schritt S22 betrifft einen additiven Auftrag des zweiten Werkstoffs mit einer zweiten Auftragsdüse. Der additive Auftrag umfasst üblicherweise eine Relativbewegung zwischen dem Auftragskopf und der Auftragsplatte.
Nach dem Abschluss einer Schicht folgt ein Schritt S24, in dem definiert wird, ob eine weitere Schicht erforderlich ist oder nicht. Wenn eine neue Schicht erforderlich ist, werden die Schritte S16 bis S22 wiederholt durchlaufen, bis das Bauteil und das Hilfsbauteil gefertigt ist. Jede neue Schicht umfasst eine Relativbewegung zwischen der Auftragsplatte und dem Auftragskopf (entlang der Höhenerstreckung des Bauteils, üblicherweise in Z-Richtung).
Es ist vorstellbar, dass in einzelnen Schichten (zum Beispiel obere und untere Randschicht) lediglich der zweite Werkstoff aufgetragen wird (als Hülle). Üblicherweise werden jedoch in einer einzelnen Schicht sowohl der erste Werkstoff (Kern) als auch der zweite Werkstoff (Hülle) aufgetragen. Der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff sind vorzugsweise derart gewählt, dass während der additiven Fertigung eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff erzeugt wird. Auf diese Weise ergibt sich eine feste Verbindung zwischen Kern und Hülle.
Der Schritt S26 beendet das Verfahren, wenn das Bauteil vollständig ausgebildet ist. Die additive Fertigung erzeugt einen integral gefertigten Handhabungsgreifer aus zwei Komponenten (zwei verschiedenen Werkstoffen), die einen Kern und eine Hülle ausbilden. In den Handhabungsgreifer sind ein Greifabschnitt und ein Montageabschnitt integriert. Der Handhabungsgreifer kann integrierte Gestaltelemente wie Montageausnehmungen und Greifkonturen aufweisen, die ebenso additiv gefertigt sind. Vorzugsweise ist der Kern des Handhabungsgreifers vollständig von der Hülle verdeckt und abgeschirmt. Dies gilt auch für spezifische Gestaltelemente wie Montageausnehmungen, Greifkonturen und dergleichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018205337 A1 [0006, 0007]
WO 2014131810 A1 [0006, 0008]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (90) in Form eines Handhabungsgreifers (14, 16), mit den folgenden Schritten: - Bereitstellung einer Anlage (20) zur additiven Fertigung mit einer Auftragsplatte (34) und einem Auftragskopf (38), wobei die Anlage (20) zumindest eine erste Auftragsdüse (80) für einen ersten Werkstoff, insbesondere einen ersten Kunststoffwerkstoff, und eine zweite Auftragsdüse (82) für einen zweiten Werkstoff, insbesondere einen zweiten Kunststoffwerkstoff, aufweist, - Bereitstellung einer Datenverkörperung (112) des Handhabungsgreifers (14, 16), insbesondere eines 3D-Datensatzes, wobei die Datenverkörperung (112) einen Kern (126), der durch den ersten Werkstoff zu verkörpern ist, und eine Hülle (128) definiert, die durch den zweiten Werkstoff zu verkörpern ist, - Definition eines Wechselbereichs (94) auf der Auftragsplatte (34), der von einem auf Basis der Datenverkörperung (112) entstehenden Bauteil (90) beabstandet ist, - Zuführen des ersten Werkstoffs zum Auftragskopf (38), - Zuführen des zweiten Werkstoffs zum Auftragskopf (38), und - additive Fertigung des Bauteils (90) auf Basis der Datenverkörperung (112) durch wechselseitigen Auftrag des ersten Werkstoffs mit der ersten Auftragsdüse (80) und des zweiten Werkstoffs mit der zweiten Auftragsdüse (82), wobei der Auftragskopf (38) zum Werkstoffwechsel den Wechselbereich (94) anfährt, und wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff einander im Bauteil (90) flächig kontaktieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest der erste Werkstoff oder der zweite Werkstoff, vorzugsweise der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff, als Filament (62, 72) zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff flächig, insbesondere stoffschlüssig, miteinander gefügt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei sich zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften derart aneinander angepasst sind, dass der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff während des additiven Auftrags miteinander zumindest abschnittsweise verschmelzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die additive Erzeugung mittels Fused Deposition Modeling erfolgt, wobei das Bauteil (90) schichtweise auf der Auftragsplatte (34) erzeugt wird, wobei zumindest einige Schichten sowohl durch den ersten Werkstoff als auch durch den zweiten Werkstoff gebildet werden, und wobei insbesondere schichtweise zunächst der Kern (126) mit dem ersten Werkstoff und danach die Hülle (128) mit dem zweiten Werkstoff gefertigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei für die additive Fertigung ein Auftragskopf (38) mit einer ersten Auftragsdüse (80) für den ersten Werkstoff und einer zweiten Auftragsdüse (82) für den zweiten Werkstoff verwendet wird, die wechselseitig genutzt werden, und wobei vorzugsweise zumindest eine der ersten Auftragsdüse (80) und der zweiten Auftragsdüse (82) in einem aktivierten und einem deaktivierten Zustand betreibbar ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei zumindest die erste Auftragsdüse (80) oder die zweite Auftragsdüse (82) in ihrem deaktivierten Zustand im Auftragskopf (38) versenkt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wobei der erste Werkstoff ein faserverstärkter Kunststoff ist, insbesondere ein Kohlenstofffaser verstärkter Kunststoff.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, wobei der zweite Werkstoff ein PET-basierter Kunststoff ist, insbesondere ein PETG Kunststoff.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, wobei der zweite Werkstoff eine bessere Medienbeständigkeit als der erste Werkstoff aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, wobei der erste Werkstoff elastischer als der zweite Werkstoff ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, wobei auch im Wechselbereich (94) ein Materialauftrag erzeugt wird, wobei die aktuelle Bauhöhe im Wechselbereich der aktuellen Bauhöhe des Bauteils (90) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, wobei im Wechselbereich (94) ein Hilfsbauteil (92) erzeugt wird, bei dem durch den ersten Werkstoff ein Kern (126) und durch den zweiten Werkstoff ein Mantel erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, wobei das Hilfsbauteil (92) vom Bauteil (90) beabstandet auf der Auftragsplatte (34) angeordnet ist, und wobei der Auftragskopf (38) entlang eines Verbindungspfades (116) zwischen dem Bauteil (90) und dem Hilfsbauteil (92) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-15, wobei bei der additiven Fertigung Befestigungsausnehmungen (120, 122) in dem den Handhabungsgreifer (14, 16) bildenden Bauteil (90) erzeugt werden, insbesondere Durchgangslöcher, wobei Mantelflächen der Befestigungsausnehmungen (120, 122) durch den zweiten Werkstoff ausgebildet werden.
Additiv erzeugter Handhabungsgreifer (14, 16), insbesondere hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-16, wobei der Handhabungsgreifer (14, 16) Folgendes aufweist: - eine erste Komponente aus einem ersten Werkstoff, die einen Kern (126) ausbildet, und - eine zweite Komponente aus einem zweiten Werkstoff, die eine Hülle (128) ausbildet und den Kern (126) umgibt, wobei die erste Komponente und die zweite Komponente integral gefertigt sind und gemeinsam einen Montageabschnitt (104) und einen Greifabschnitt (102) ausbilden, und wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff einander flächig kontaktieren.
Additiv erzeugter Handhabungsgreifer (14, 16) nach Anspruch 17, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff formschlüssig miteinander gefügt sind.
Additiv erzeugter Handhabungsgreifer (14, 16) nach Anspruch 17 oder 18, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff aufeinander abgestimmte Schmelztemperaturen aufweisen, und wobei die erste Komponente und die zweite Komponente stoffschlüssig und direkt miteinander gefügt sind.
Additiv erzeugter Handhabungsgreifer (14, 16) nach einem der Ansprüche 17-19, wobei der erste Werkstoff eine höhere Festigkeit als der zweite Werkstoff aufweist, und wobei der zweite Werkstoff eine höhere Medienbeständigkeit als der erste Werkstoff aufweist.