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Die vorgeschlagene Lösung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung zur additiven Fertigung, die mehrere entlang einer Querachse nebeneinander angeordnete Druckköpfe aufweist, über die jeweils ein Bauteil additiv fertigbar ist.
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Es ist aus der Praxis bereits bekannt, in einer 3D-Druckvorrichtung mehrere (mindestens zwei) Druckköpfe nebeneinander anzuordnen, um damit gleichzeitig mehrere Bauteile additiv fertigen zu können. Mit jeweils einem Druckkopf kann dann ein Bauteil beispielsweise schichtweise aufgebaut werden. Üblicherweise werden hierbei identische Bauteile gleichzeitig hergestellt, um so in einem additiven Fertigungsprozess die Anzahl zu fertigender Bauteile je Zeiteinheit zu erhöhen.
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Es besteht jedoch weiterhin Bedarf an 3D-Druckvorrichtungen, mit denen bei der additiven Fertigung die Produktion von Bauteilen weiter flexibilisiert werden kann.
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Hier schafft eine 3D-Druckvorrichtung des Anspruchs 1 Abhilfe.
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So ist eine 3D-Druckvorrichtung vorgeschlagen, die mindestens zwei Reihen mit jeweils mehreren entlang einer Querachse nebeneinander angeordneten Druckköpfen aufweist, die entlang einer Längsachse hintereinander angeordnet sind.
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Grundgedanke der vorgeschlagenen Lösung ist somit eine 2D-Matrix an Druckköpfen bereitzustellen, über die nicht nur eine größere Anzahl von gegebenenfalls identischen Bauteilen additiv herstellbar ist, sondern mit der auch die Prozessparameter bei der Herstellung mehrerer Bauteile über eine einzelne 3D-Druckvorrichtung leichter anpassbar sind.
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Grundsätzlich kann die vorgeschlagene 3D-Druckvorrichtung für einen schichtweisen Aufbau der Bauteile wenigstens einen Extruder für je einen Druckkopf oder je eine Untergruppe von Druckköpfen oder mehrere Extruder, mindestens einen den wenigstens einen Extruder steuernden Prozessor und mindestens einen Speicher für Steuerungsbefehle zur Steuerung des Extruders umfassen. Prozessor und Speicher können hierbei in einer Steuerelektronik integriert sein, über die auch die Position der Druckköpfe steuerbar ist.
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In einer Ausführungsvariante weist die 3D-Druckvorrichtung für wenigstens eine Reihe von Druckknöpfen mindestens eine Quertraverse auf, an der die Druckköpfe in unterschiedlichen Querabständen zueinander positionierbar sind. Es wird mithin eine Quertraverse vorgesehen, an der wenigstens zwei Druckköpfe in einem zueinander einstellbaren Abstand angeordnet sind. Hierbei können die Druckköpfe einer Reihe beispielsweise an der zugehörigen Quertraverse verschieblich gelagert sein. Je nach zu fertigendem Bauteil können somit die Druckköpfe entlang der Quertraverse und damit entlang der mit der Quertraverse definierten Querachse unterschiedlich positioniert werden.
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Um die Positionierung der Druckköpfe an einer Quertraverse weiter zu vereinfachen, sieht eine Ausführungsvariante eine fremdkraftbetätigte Einstellbarkeit der Querabstände der Druckköpfe einer Reihe vor. Hier sind folglich die Positionen der Druckköpfe an der Quertraverse und die damit sich zwischen den Druckknöpfen ergebenden Querabstände elektronisch gesteuert einstellbar. Hierfür ist beispielsweise eine motorische Querverstelleinrichtung Teil der 3D-Druckvorrichtung. Über eine solche Querverstelleinrichtung werden dann beispielsweise motorisch angetrieben unterschiedliche Querabstände der Druckköpfe einer Reihe zueinander eingestellt.
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Beispielsweise weist die Querverstelleinrichtung hierfür wenigstens einen Spindelantrieb auf. An einer Spindel eines solchen Spindelantrieb ist dann beispielsweise eine mit der Spindel kämmende und mit einem der Druckköpfe verbundene Spindelmutter vorgesehen, sodass durch eine Drehung der Spindel eine Position des jeweiligen Druckkopfes entlang der parallel zur der Querachse verlaufenden Spindelachse einstellbar ist.
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In einer Ausführungsvariante weist die 3D-Druckvorrichtung mehrere (mindestens zwei) Quertraversen auf, deren Längsabstand zueinander entlang der Längsachse einstellbar ist. Bei einer derartigen Ausführungsvariante sind folglich nicht nur die Abstände der Druckköpfe innerhalb einer Reihe entlang der Querachse zueinander variabel, sondern auch die Abstände der Druckköpfe entlang der Längsachse. So können die mindestens zwei Quertraversen relativ zueinander verstellt werden, um somit die von Ihnen getragenen Reihen von Druckköpfen gruppenweise mit unterschiedlichen Längsabständen zueinander zu positionieren. Darüber hinaus können auch die Druckköpfe an ihrer jeweiligen Quertraverse mit unterschiedlichen Querabständen zueinander beabstandet werden. Damit lassen sich die Positionen der 2D-Matrix von Druckknöpfen insbesondere je nach Größe der herzustellenden Bauteile variabel anpassen.
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Die mehreren Quertraversen sind beispielsweise über eine Längsverstelleinrichtung der 3D-Druckvorrichtung zueinander verstellbar gelagert. Die Längsverstelleinrichtung kann hierbei beispielsweise einen oder mehrere Verstellmotoren umfassen, um die Quertraversen unterschiedlich relativ zueinander zu beabstanden. Dementsprechend können auch die Längsabstände der mehreren Quertraverse zueinander entlang der Längsachse fremdkraftbetätigt einstellbar und damit elektronisch steuerbar sein.
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Um die Variabilität einer vorgeschlagenen 3D-Druckvorrichtung weiter zu erhöhen, insbesondere mit Blick darauf, welche Anzahl an Bauteilen welcher Größe hiermit fertigbar sind, sieht einer Ausführungsvariante vor, dass die Anzahl der Druckköpfe je Quertraverse anpassbar ist. Dies kann beispielsweise einschließen, dass die Druckköpfe einer Reihe lösbar und damit auch austauschbar an einer Quertraverse festgelegt sind.
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Beispielsweise können hierbei verschiebliche Druckköpfe von einer Quertraverse abziehbar sein. Alternativ oder ergänzend kann eine über einen Passstift geführte Schnellsteckverbindung und/oder eine magnetische Befestigung an der Quertraverse vorgesehen sein, beispielsweise an einem entlang der Quertraverse verschieblich gelagerten Druckkopfschlitten, an dem bei Bedarf mindestens ein Druckkopf angebracht wird.
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Beispielsweise umfasst die 3D-Druckvorrichtung ein Positionierungssystem, über das die Druckköpfe einzeln an der zugehörigen Quertraverse anbringbar und von der zugehörigen Quertraverse entfernbar sind. Um folglich die Anzahl der Druckköpfe an einer Quertraverse und damit einer Reihe von Druckknöpfen zu verändern, ist kein manueller Eingriff eines Nutzers an der Quertraverse nötig. Vielmehr wird hier eine Anzahl von Druckknöpfen fremdkraftbetätigt variiert, indem über eine Mechanik des Positionierungssystems - gegebenenfalls unter Nutzung der Querverstelleinrichtung und/oder der Längsverstelleinrichtung der 3D-Druckvorrichtung - einzelne Druckköpfe von einer Quertraverse entfernt oder an der Quertraverse angebracht werden und dann anschließend die Druckköpfe in eine vorgegebene Position an der Quertraverse fahren.
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So kann beispielsweise die 3D-Druckvorrichtung ein Druckkopfmagazin umfassen, an dem eine begrenzte Anzahl zusätzlicher Druckköpfe vorgehalten wird oder in das von einer Quertraverse entfernte Druckköpfe eingebracht werden können. Selbstverständlich können auch mehrere Druckkopfmagazine für einzelne Quertraversen oder eine Gruppe von Quertraverse vorgesehen sein, sodass dann in einem Druckkopfmagazin Druckköpfe vorgehalten werden, die an mehreren Quertraversen Verwendung finden können. Ebenso können Druckköpfe von mehreren Quertraversen in einem Druckkopfmagazin untergebracht werden, wenn an einer Quertraverse für den aktuellen additiven Fertigungsprozess weniger Druckköpfe vorgesehen werden sollen.
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Grundsätzlich kann die 3D-Druckvorrichtung mindestens ein unterhalb der Druckköpfe angeordnetes Druckbett für wenigstens ein zu fertigende Bauteil umfassen. Hierbei kann ein gemeinsames Druckbett für mehrere Reihen von Druckknöpfen und damit ein gemeinsames Druckbett für mehrere (gleichzeitig) zu fertigende Bauteile vorgesehen sein. Ebenso können mehrere Druckbette vorgesehen sein, von denen jeweils ein Druckbett genau einer Reihe von Druckknöpfen zugeordnet ist.
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Zur weiteren Erhöhung der Variabilität - unter Inkaufnahme einer entsprechenden steuerungstechnischen Komplexität - kann eine Ausführungsvariante vorsehen, dass jedem Druckkopf ein individuelles Druckbett zugeordnet ist. Es werden somit druckkopfindividuelle Druckbetten vorgesehen, gegebenenfalls mit individueller Verstellbarkeit der Druckbetten relativ zu dem jeweiligen zugeordneten Druckkopf.
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Grundsätzlich kann ein Druckbett der 3D-Druckvorrichtung, insbesondere ein gemeinsames Druckbett für mehrere oder einzelne Reihen von Druckknöpfen entlang einer Hochachse verstellbar sein. Alternativ oder ergänzend kann eine Verstellbarkeit entlang der Querachse und/oder entlang der Längsachse bezüglich der Druckköpfe vorgesehen sein. Eine Verstellbarkeit des jeweiligen Druckbetts entlang der Hochachse, entlang der Querachse und/oder entlang der Längsachse kann hierbei sowohl für eine Positionierung des Druckbetts relativ zu einem einzelnen Druckkopf oder mehreren Druckköpfen vor Beginn eines additiven Fertigungsprozesses nutzbar sein. Selbstverständlich ist aber auch denkbar, dass die jeweilige Verstellbarkeit eine Verstellung des Druckbetts während eines additiven Fertigungsprozesses ermöglicht. Insbesondere die Verstellung entlang einer Hochachse dient regelmäßig dazu, das Druckbett während des schichtweisen Aufbaus des additiv zu fertigenden Bauteils zu verstellen, während der Druckkopf in einer festen (Hoch-)Position innerhalb der 3D-Druckvorrichtung verbleibt.
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Grundsätzlich kann alternativ oder ergänzend mindestens einer der Druckköpfe an seiner Quertraverse bezüglich des zugehörigen Druckbetts während einer additiven Fertigung verstellbar sein. In einer derartigen Ausführungsvariante ist folglich der jeweilige Druckkopf nicht nur vor einem Start der additiven Fertigung an einer Quertraverse in einem bestimmten Querabstand zu einem anderen Druckkopf vorpositionierbar. Vielmehr kann dann der mindestens eine Druckkopf auch während eines additiven Fertigungsprozesses verstellbar sein, insbesondere entlang einer Hochachse und/oder entlang der Querachse und/oder entlang der Längsachse. So kann beispielsweise die Quertraverse komplett entlang der Hochachse verstellbar sein, um einen Abstand der Quertraverse zu einem Druckbett variieren zu können.
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In einer Ausführungsvariante umfasst die 3D-Druckvorrichtung eine Steuerelektronik, über die Querabstände von Druckköpfen einer Reihe zueinander entlang der (jeweiligen) Querachse und/oder Längsabstände der Reihen der Druckkopf zueinander entlang der Längsachse fremdkraftbetätigt vorgebbar sind. Über die Steuerelektronik ist dann folglich mindestens ein Verstellmotor einer Querverstelleinrichtung und/oder einer Längsverstelleinrichtung ansteuerbar, um die Druckköpfe entsprechend zu positionieren.
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Über eine entsprechende Steuerelektronik kann auch die Anzahl der Druckköpfe einer Reihe fremdkraftbetätigt vorgebbar sein. Beispielsweise wird hierfür über die Steuerelektronik ein vorstehend erläutertes Positionierungssystem der 3D-Druckvorrichtung angesteuert.
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Um hierbei die Handhabung der 3D-Druckvorrichtung zu erleichtern, kann die mit dem Positionierungssystem gekoppelte Steuerelektronik eingerichtet sein, in Abhängigkeit von über ein User Interface (Benutzerschnittstelle) vorgegebenen Abmessungen eines zu fertigenden Bauteils Positionen der Druckköpfe einer Reihe entlang der (jeweiligen) Querachse und/oder Positionen der Reihen entlang der Längsachse automatisch fremdkraftbetätigt einzustellen. Die Steuerelektronik ist folglich eingerichtet, prozessorgestützt auf Basis von an einem User Interface zur Verfügung gestellten Bauteilparametern automatisch abzuleiten, welche Anzahl von Druckknöpfen für eine gleichzeitige mehrfache Fertigung des jeweiligen Bauteils Verwendung finden und wie die einzelnen Druckkopf hierbei zueinander entlang der Querachse und entlang der Längsachse zueinander positioniert werden müssen. Beispielsweise kann hierbei ein Nutzer über das User Interface lediglich Daten zu einem generierten Modell des zu fertigenden Bauteils einlesen. In der Steuerelektronik hinterlegte Anweisungen eines Berechnungsalgorithmus zur Ausführung durch mindestens einen Prozessor der Steuerelektronik geben dann automatisiert - auf einen Befehl des Nutzers hin - die Positionen der 2D-Matrix an Druckknöpfen an der 3D-Druckvorrichtung vor und stellen die 2D-Druckkopf Matrix entsprechend ein. Selbstverständlich kann es aber auch alternativ oder ergänzend möglich sein, unmittelbar über das User Interface die Abmessungen des mehrfach zu fertigenden Bauteils unmittelbar nutzerseitig einzugeben.
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Die beigefügte Figur veranschaulicht exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
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Hierbei zeigt:
- 1 in perspektivischer Ansicht und ausschnittsweise eine Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen 3D-Druckvorrichtung, bei der eine Vielzahl von entlang zweier zueinander senkrechter Raumrichtungen verstellbarer Druckköpfe vorgesehen sind, die hinsichtlich ihrer Querabstände und Längsabstände zueinander variabel positionierbar sind.
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Die 1 zeigt eine Ausführungsvariante einer vorgeschlagenen 3D-Druckvorrichtung D, bei der oberhalb einer Druckplattform respektive eines Druckbetts 1 mehrere Reihen 20A bis 20E von Druckknöpfen 3.1, 3.2, 3.3 bis 3.n hintereinander angeordnet sind. Teile der 3D-Druckvorrichtung D, die zur additiven Fertigung von mehreren Bauteilen über die Druckköpfe 3.1, ...., 3.n vorgesehen ist, ist auch eine in der 1 nicht dargestellte Extrudereinrichtung. Diese Extrudereinrichtung weist wenigstens einen Extruder zur Versorgung der Druckköpfe 3.1, ..., 3.n mit Druckmaterial auf.
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Jede Reihe 20A bis 20E weist mehrere Druckköpfe 3.1, ..., 3.n auf, die entlang einer zu der Längsachse L senkrecht verlaufenden Querachse Qa bis Qe nebeneinander angeordnet sind. Die 3D-Druckvorrichtung D weist somit eine 2D-Matrix an Druckknöpfen 3.1, ..., 3.n in einer xy-Ebene auf. Hierüber können gleiche Bauteile gleichzeitig parallel additiv schichtweise aufgebaut werden. Über eine entsprechende Ansteuerung der Druckköpfe 3.1, ..., 3.n und eines eventuell separaten Druckbetts lassen sich aber auch unterschiedlich geometrisch ausgebildete Bauteile gleichzeitig fertigen.
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Bei der dargestellten 3D-Druckvorrichtung D sind die Druckköpfe 3.1, ..., 3.n einer Reihe 20A bis 20E jeweils entlang der zugehörigen Querachse Qa bis Qe an einer jeweiligen Quertraverse 21 oberhalb des Druckbetts 1 gehalten. Diese Quertraverse 21 ist jeweils an einem Trägerteil 2A bis 2E für eine Reihe 20A bis 20E festgelegt. Die einzelnen Trägerteile 2A bis 2E und damit die jeweiligen Quertraversen 21 sind hierbei entlang der Längsachse L verschieblich gehalten, um einen Längsabstand b zwischen einzelnen Reihen 20A bis 20E an Druckknöpfen 3.1, ..., 3.n variabel einstellen zu können.
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Ferner sind die einzelnen Druckköpfe 3.1, ..., 3.n einer Reihe 20A bis 20E jeweils an der jeweiligen Quertraverse 21 mit unterschiedlichen Querabständen a zueinander positionierbar. Auf diese Art und Weise können die Druckköpfe 3.1, ..., 3.n sowohl entlang einer Querrichtung y als auch entlang einer Längsrichtung x in gewünschten Abständen zueinander positioniert werden. Dabei können die Positionen der Druckknöpfe 3.1, ..., 3.n sowohl entlang ihrer jeweiligen Querachse Qa bis Qe als auch entlang der Längsachse L (in letzterem Fall reihenweise) fremdkraftbetätigt mithilfe einer Steuerelektronik 6 der 3D-Druckvorrichtung vorgegeben werden.
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Über die Steuerelektronik 6 sind dabei sowohl eine Längsverstelleinrichtung 4 als auch eine Querverstelleinrichtung 5 der 3D-Druckvorrichtung D steuerbar. Die Längsverstelleinrichtung 4 und die Querverstelleinrichtung 5 weisen dabei wenigstens einen Verstellmotor, gegebenenfalls auch mehrere Verstellmotoren für die einzelnen Reihen 20A bis 20E, auf. Auf elektronische Steuersignale der Steuerelektronik 6 hin können damit die Trägerteile 2A bis 2E und folglich die Quertraversen 21 wie vorgegeben zueinander längs beabstandet werden und ferner die Druckköpfe 3.1, ..., 3.n an einer Quertraverse 21 jeweils entsprechend innerhalb einer jeweiligen Reihe 20A bis 20E zueinander wie vorgegeben quer beabstandet werden.
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Teil der Steuerelektronik 6 kann hierbei ein User Interface 60 sein, über das Abmessungen für zu fertigende Bauteile vorgegeben werden können. Die Steuerelektronik 6 ermittelt dann für die jeweiligen vorgegebenen Abmessungen die den Druckknöpfen 3.1, ..., 3.n vorzugebenden Positionen innerhalb der 3D-Druckvorrichtung D. Hierfür steuert die Steuerelektronik 6 ein die Längseinrichtung 4 und die Querverstelleinrichtung 5 umfassendes Positionierungssystem der 3D-Druckvorrichtung D anhand eines hinterlegten Algorithmus entsprechend an.
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Über das Positionierungssystem ist dabei in einer Ausführungsvariante auch ein fremdkraftbetätigtes und über die Steuerelektronik 6 elektronisch gesteuertes Entfernen und Hinzufügen von Druckknöpfen 3.1, ..., 3.n an einer oder mehreren Quertraversen 21 der unterschiedlichen Trägerteile 2A bis 2 ermöglicht. So kann beispielsweise ein entsprechendes (Druckkopf-) Magazin von Druckknöpfen der 3D-Druckvorrichtung D mit von einer Quertraverse 1 abgezogenen Druckknöpfen bestückbar sein. Im Umkehrschluss können auch zusätzlich zu verwendende Druckköpfe von einem solchen (Druckkopf-) Magazin entnommen und hiermit Quertraversen 21 der Trägerteile 2A bis 2E automatisiert bestückt werden. Die Druckköpfe 3.1, ..., 3.n können hierfür beispielsweise an den Quertraversen 21 über jeweils einen Schlitten individuell und - bei Kopplung der Schlitten untereinander - auch reihenweise verschieblich sein. Eine verschiebliche Lagerung eines Druckkopfes 3.1, ..., 3.n an einer jeweiligen Quertraverse 31 muss dabei nicht ausschließlich einem Vorpositionieren eines Druckkopfes 3.1, ..., 3.n vor einem additiven Fertigungsprozess dienen. Vielmehr kann ein jeweiliger Druckkopf 3.1, ..., 3.n auch für die additive Fertigung entlang der Quertraverse 21 verschieblich sein.
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Um über die Druckköpfe 3.1, ..., 3.n mehrere Bauteile schichtweise aufzubauen, können die Quertraversen 21 an ihrem jeweiligen Trägerteil 2A bis 2E entlang einer Hochachse H bezüglich des Druckbetts 1 verstellbar sein (elektronisch gesteuert über die Steuerelektronik 6). Diese Hochachse H verläuft senkrecht zu der xy-Ebene, in der die Druckköpfe 3.1, ..., 3.n variabel zueinander beabstandbar sind.
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Alternativ oder ergänzend kann das Druckbett 1 oder eine Vielzahl verschiedener Druckbette, die einzelnen Druckknöpfen 3.1, ..., 3.n oder einzelnen Reihen 20A bis 20E der 3D-Druckvorrichtung zugeordnet sind, entlang der Hochachse A verstellbar sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckplattform / Druckbett
- 20A - 20E
- Reihe
- 21
- Quertraverse
- 2A - 2E
- Trägerteil
- 3.1, 3.2, 3.3, 3.n
- Druckkopf
- 4
- Längsverstelleinrichtung
- 5
- Querverstelleinrichtung
- 6
- Steuerelektronik
- 60
- User Interface
- a
- Querabstand
- b
- Längsabstand
- D
- 3D-Druckvorrichtung
- H
- Hochachse
- L
- Längsachse
- Qa - Qe
- Querachse
