DE102022114418A1

DE102022114418A1 - Beschichter, Befüllvorrichtung, System zum Aufbringen von Materialschichten und Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102022114418A1
Application number: DE102022114418.6A
Authority: DE
Inventors: Guido Adam; Roman-Max Möhlen
Original assignee: Dmg Mori Additive GmbH
Current assignee: Dmg Mori Additive GmbH
Priority date: 2022-06-08
Filing date: 2022-06-08
Publication date: 2023-12-14
Also published as: EP4308324A1; WO2023237222A1

Abstract

Die Erfindung stellt einen Beschichter 10 zum Aufbringen von Materialschichten auf einen Träger 31 einer Werkzeugmaschine 30, die zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks aus den aufgebrachten Materialschichten eingerichtet ist, bereit, wobei der Beschichter 10 einen Grundkörper 11, der relativ zum Träger 31 der Werkzeugmaschine 30 verfahrbar ist, einen vom Grundkörper 11 getragenen Materialspeicher 12 mit einem Füllraum 13 zum Speichern von Material 1 und eine Ausbringeinrichtung umfasst, die dazu eingerichtet ist, den Füllraum 13 des Materialspeichers 12 durch eine erste Relativbewegung des Füllraums 13 gegenüber dem Grundkörper 11 zu entleeren, um im Füllraum 13 gespeichertes Material 1 auf den Träger 31 auszubringen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschichter zum Aufbringen von Materialschichten, eine Befüllvorrichtung zum Einsatz mit einem Beschichter, ein System zum Aufbringen von Materialschichten und ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Werkstücks.
Hintergrund der Erfindung
Aus dem Stand der Technik sind urformende Verfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Werkstücke bekannt, im Zuge derer ein Werkstück schichtweise aus einem bereitgestellten Material aufgebaut wird.
Hierzu wird üblicherweise ein pulverförmiges Material als Materialschicht auf einen Träger einer Werkzeugmaschine aufgebracht und anschließend durch ortsspezifisches Bestrahlen zu einer Werkstückschicht verfestigt, zum Beispiel im Wege eines Verschmelzens oder eines Versinterns der einzelnen Materialteilchen der Materialschicht.
Ist eine Werkstückschicht verfestigt, wird eine neue Materialschicht aus unverarbeitetem Material auf den Träger bzw. auf die bereits hergestellte Werkstückschicht i aufgebracht und es erfolgt ein erneutes ortsspezifisches Bestrahlen.
Auf diese Weise wird das Werkstück sukzessive Schicht für Schicht aus Material einer Vielzahl von auf den Träger aufgebrachten Materialschichten aufgebaut.
Hierbei kommen üblicherweise Beschichter zum Einsatz, die eine Menge unverarbeiteten Materials auf dem Träger ausbreiten, um so eine Materialschicht vorgegebener Dicke aufzubringen.
Aus dem Stand der Technik bekannte Beschichter werden hierzu relativ zum Träger der Werkzeugmaschine verfahren, um über ein Ausbreitungselement, zum Beispiel in Form einer Bürste oder Lippe, eine auf dem Träger platzierte Menge an Material schichtbildend auszubreiten. Derartige Beschichter sind beispielsweise in der DE 20 2019 103 407 U1 oder der EP 2 818 305 A1 gezeigt.
Zur Effizienzsteigerung bei der Fertigung wird dabei versucht, die Anzahl der Verfahrwege des Beschichters zu reduzieren, derart, dass dieser nach Aufbringen einer ersten Materialschicht nicht zwingend in eine Ausgangs- bzw. Nachfüllposition an einem stationären Materialreservoir zurückverfahren werden muss, bevor eine weitere Materialschicht aufgebracht werden kann.
Hierzu sind aus der DE 20 2019 103 407 U1 oder der EP 2 818 305 A1 ebenfalls Lösungen bekannt, bei denen der Beschichter über einen Materialspeicher mit einem Füllraum verfügt, in dem eine Menge an Material mitgeführt und bei Bedarf durch Betätigung einer Verschlussmechanik zum Öffnen und Schließen einer unterseitigen Ausgabeöffnung des Füllraums auf den Träger ausgebracht wird. Anschließend kann das ausgebrachte Material schichtbildend ausgebreitet werden, insbesondere im Zuge einer Verfahrbewegung des Beschichters zurück in besagte Ausgangsposition, in der der Materialspeicher für den nächsten Zyklus neu befüllt werden kann.
Bei der Betätigung besagter Verschlussmechanik kann es allerdings unter anderem zu Funktionsverlusten mit unvollständigem Öffnen und/oder Schließen der Ausgabeöffnung sowie zu Problemen der unkontrollierten oder unvollständigen Abgabe des gespeicherten Materials auf den Träger kommen. Dies hat zur Folge, dass die Materialschichten nicht wie gewünscht auf den Träger aufgebracht werden, was sich wiederum negativ auf die Fertigungsgüte des daraus aufgebauten Werkstücks auswirkt.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zum zuverlässigen und kontrollieren Aufbringen von Materialschichten im Wege einer additiven Fertigung von Werkstücken bereitzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Beschichter nach Anspruch 1, eine Befüllvorrichtung nach Anspruch 11 und ein System zum Aufbringen von Materialschichten nach Anspruch 15 bereitgestellt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es zudem, eine verbesserte Möglichkeit zur additiven Fertigung von Werkstücken bereitzustellen.
Zur Lösung dieser weiteren Aufgabe wird ein Verfahren nach Anspruch 16 bereitgestellt.
Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beziehen sich dabei auf bevorzugte Ausführungsformen, die jeweils für sich genommen oder in Kombination bereitgestellt werden können.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird ein Beschichter zum Aufbringen von Materialschichten auf einen Träger einer Werkzeugmaschine bereitgestellt, die zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks aus den aufgebrachten Materialschichten eingerichtet ist. Der Beschichter umfasst hierzu einen Grundkörper, der relativ zum Träger der Werkzeugmaschine verfahrbar ist, einen vom Grundkörper getragenen Materialspeicher mit einem Füllraum zum Speichern von Material und eine Ausbringeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Füllraum des Materialspeichers durch eine erste Relativbewegung des Füllraums gegenüber dem Grundkörper zu entleeren, um im Füllraum gespeichertes Material auf den Träger auszubringen.
Durch den Beschichter gemäß des ersten Aspekts wird eine besonders effiziente Möglichkeit zum Aufbringen von Materialschichten auf den Träger bereitgestellt, aus denen im Zuge eines Verfahrens der additiven Fertigung ein Werkstück schichtweise aufgebaut wird, insbesondere durch selektives Schmelzen oder Sintern des in Schichten aufgebrachten Materials, zum Beispiel mit Hilfe einer laserstrahlbasierten Bearbeitungsvorrichtung der Werkzeugmaschine im Zuge eines SLM-Prozesses (engl. Selective Laser Melting).
Das aufzubringende Material ist üblicherweise pulverförmig und weist vorzugsweise metallische Materialien auf, wie zum Beispiel eine Aluminium-, Stahl-, Titan-, Nickelbasislegierung oder jedwede andere Legierung, die sich zum Einsatz in einem SLM-Prozess eignet.
Die Bezugnahme auf den Träger, beispielsweise im Zuge eines Ausbringens des Materials auf den Träger sowie eines Aufbringens einer Materialschicht auf den Träger umfasst dabei auch alle bereits auf dem Träger zuvor aufgebrachten Materialschichten und oder verfestigte Werkstückschichten und damit auch die Fälle, in denen eine weitere Materialschicht auf eine bereits auf dem Träger befindliche Materialschicht und/oder Werkstückschicht ausgebildet wird.
Um vom Beschichter bei Verfahrbewegungen zurückzulegenden Strecken pro aufzubringender Materialschicht zu reduzieren, führt der Beschichter vorteilhafterweise eine Menge an Material im Materialspeicher mit sich, um diese bei Bedarf auf den Träger auszubringen und daraus eine neue Materialschicht auf den Träger aufzubringen. So muss der Beschichter zum Aufbringen einer neuen Materialschicht nicht immer in seine Ausgangsposition an einem stationären Materialspender, der eine Menge an Material auf den Träger ausbringt, zurückkehren.
Der Beschichter bietet dabei die besonders vorteilhafte Möglichkeit, das gespeicherte Material im Zuge der ersten, den Füllraum in Gänze bewegenden Relativbewegung vollständig zu entleeren, wodurch nicht nur ein besonders verschleißfreier Betrieb des Beschichters, sondern auch ein besonders zuverlässiges und stets vollständiges Entleeren des im Materialspeicher gespeicherten Materials umgesetzt wird.
So kommt der Beschichter gänzlich ohne zusätzliche Verschlussmechaniken zum Öffnen und Schließen einer Auslassöffnung des Füllraums aus. Derartige Verschlussmechaniken sind beispielsweise aus der DE 20 2019 103 407 U1 oder der EP 2 818 305 A1 bekannt und bedienen sich eines beweglich gelagerten Verschlusselements zum Schließen und Öffnen einer dem Träger zugewandten Öffnung des Füllraums.
Besagte Verschlussmechaniken sind dabei einer erhöhten Beanspruchung aufgrund des ständigen Kontakts zum üblicherweise pulverförmigen Material ausgesetzt, das sich in Lagerstellen, Führungsfugen, Passungen etc. der beweglichen Verschlussmechaniken ablagern kann und deren Funktion beeinträchtigt. Derartiges Ablagern wird dabei durch die beim Verfahren des Beschichters unweigerlich auftretenden Vibrationen begünstigt.
Dies kann nicht nur zu einem erhöhten Verschleiß der Verschlussmechanik, sondern unter Umständen auch zu einem Blockieren der Verschlussmechanik führen. Infolge dessen kann die Öffnung des Füllraums nicht mehr bestimmungsgemäß geöffnet oder geschlossen werden, was wiederum zu einer unkontrollierten Abgabe des darin enthaltenen Materials führt.
Durch die Umsetzung der Entleerung des Füllraums über die erste Relativbewegung kann auf derartige Verschlussmechaniken verzichtet werden, sodass das gespeicherte Material im Wesentlichen keinen Kontakt zu Lagerstellen oder Führungen des Beschichters hat oder herstellt, die dadurch wiederum negativ beeinträchtigt werden könnten. Dies sichert die Funktionsfähigkeit sowie einen besonders verschleißarmen Betrieb.
Durch die erste Relativbewegung wird auch die vollständige Entleerung des Füllraums sichergestellt, da durch die Bewegung des Füllraums in Gänze eine Fließgrenze des üblicherweise pulverförmigen Materials leichter überschritten werden kann als im Falle eines im Wesentlichen stillstehenden Füllraums, bei dem lediglich eine unterseitige Öffnung durch eine Verschlussmechanik freigegeben wird und die Gefahr besteht, dass sich das Material im Füllraum „verkeilt“ oder „verklemmt“, sodass es zur sog. Brückenbildung kommt und das Material sich nicht zu bewegen bzw. zu fließen beginnt.
Eine Bewegung des Füllraums selbst bringt dagegen zusätzlich dynamische Kräfte auf das Material auf, infolge derer auch Materialien, insbesondere pulverförmige Materialien, mit einer geringen Fließfähigkeit zuverlässig und vollständig ausgebracht werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ausbringeinrichtung eine drehbare Lagerung, die den Materialspeicher relativ zum Grundkörper drehbar um eine Rotationsachse lagert, derart, dass die erste Relativbewegung zum Entleeren des Füllraums eine Drehung um die Rotationsachse ist.
Auf diese Weise wird eine besonders effektive Möglichkeit zum Entleeren des Füllraums bereitgestellt, im Zuge derer dieser beispielsweise aus einer Ausgangsstellung (Öffnung üblicherweise in vertikaler Richtung nach oben weisend) in eine Überkopfposition (180° gedreht, Öffnung üblicherweise in vertikaler Richtung nach unten weisend) verbracht werden kann, infolgedessen durch eine Öffnung des Füllraums eingefülltes Material durch dieselbige mittels Gravitationsgraft wieder aus dem Füllraum abgeführt und auf den Träger ausgebracht wird. Durch ein vollständiges „Umkippen“ des Füllraums relativ zum Grundkörper in die Überkopfposition kann sämtliches im Füllraum gespeichertes Material zuverlässig ausgebracht werden, ohne im Füllraum verbleibende Rückstände des Materials.
Vorzugsweise verläuft die Rotationsachse dabei parallel zu einer Oberfläche des Trägers und orthogonal zu einer Verfahrrichtung des Grundkörpers.
Die Ausbringeinrichtung ist dabei vorzugsweise dazu eingerichtet, den Füllraum ausgehend von einer Ausgangstellung, in der der Füllraum befüllt wird, um einen vorbestimmten Winkel in eine Endstellung zu verdrehen, wobei der vorbestimmte Winkel vorzugsweise 90° bis 270° und besonders bevorzugt 180° beträgt.
Vorzugsweise erfolgt eine Angabe der Winkelstellung des Füllraums relativ zum Grundkörper des Beschichter auf Basis eines Zenitwinkels zwischen einer füllraumfesten Referenzgeraden des Füllraums und einer entgegen des Schwerefelds der Erde gerichteten Lotrichtung, wobei die Referenzgerade in einem zur Rotationsachse senkrecht stehenden Querschnitt ausgehend von einem Mittelpunkt des Füllraums durch die Öffnung des Füllraums verläuft, und der Zenitwinkel in der Ausgangsstellung des Füllraums vorzugsweise 0° beträgt und in der Endstellung des Füllraums zwischen 90° und 180° beträgt, besonders bevorzugt 180°.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Beschichter ein am Grundkörper befestigtes Ausbreitungselement, das zum schichtbildenden Ausbreiten einer auf dem Träger platzierten Menge an Material durch eine Verfahrbewegung des Grundkörpers eingerichtet ist.
Auf diese Weise kann ein besonders gleichmäßiges Aufbringen der Materialschichten auf den Träger umgesetzt werden, indem eine Menge an Material, die beispielsweise als Anhäufung an einer Endseite auf der Oberfläche des Trägers platziert wird, durch das Ausbreitungselement über den Träger ausgebreitet wird.
Unter dem Ausbreiten ist dabei vorranging ein Ausziehen des Materials zu verstehen, im Zuge dessen das Ausbreitungselement die Anhäufung des Materials bei einer Verfahrbewegung des Grundkörpers vor sich herschiebt und dabei das Material durch einen Spalt vorbestimmter Größe zwischen Ausbreitungselement und Träger fördert und so schichtbildend ausbreitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Grundkörper gegenüber dem Träger zwischen einer ersten und einer zweiten Endposition hin und her verfahrbar, insbesondere translatorisch, wobei der Beschichter eingerichtet ist, über das Ausbreitungselement eine erste Menge an Material auf dem Träger durch eine erste Verfahrbewegung des Grundkörpers von der ersten zur zweiten Endposition schichtbildend auszubreiten und dabei eine zweite Menge an Material im Materialspeicher mitzuführen, und bei Erreichen der zweiten Endposition oder bei Erreichen einer zwischen der ersten und der zweiten Endposition befindlichen Ausbringposition den Füllraum des Materialspeichers durch die erste Relativbewegung zu entleeren, um die zweite Menge an Material auf den Träger auszubringen.
Vorzugsweise ist der Beschichter zudem dazu eingerichtet, über das Ausbreitungselement die auf den Träger bei Erreichen der zweiten Endposition oder bei Erreichen der Ausbringposition ausgebrachte zweite Menge an Material durch eine zweite Verfahrbewegung des Grundkörpers von der zweiten zur ersten Endposition schichtbildend auszubreiten.
Auf diese Weise werden unnötige Verfahrbewegungen des Beschichters vermieden und es können zwei Materialschichten in einem Verfahrzyklus von erster zu zweiter Endposition und wieder zurück aufgebracht werden. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Ausbringeinrichtung gestattet dabei ein kontrolliertes Ausbringen des Materials für das Aufbringen einer zweiten Materialschicht, ohne im Füllraum verbleibende Rückstände des Materials, sodass Materialschichten gleichbleibender Qualität aufgebracht werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ausbringeinrichtung eine mit dem Materialspeicher verbundene Antriebseinheit, insbesondere eine elektrisch Antriebseinheit, die eingerichtet ist, die erste Relativbewegung des Füllraums zu bewirken.
In einer bevorzugten, dazu alternativen Ausführungsform umfasst die Ausbringeinrichtung ein mit Materialspeicher verbundenes Betätigungselement, dessen Betätigung eine Relativbewegung des Füllraums gegenüber dem Grundkörper bewirkt.
Die Betätigung ist hierbei als eine mechanische Wechselwirkung mit Kraft- und/oder Momentübertragung auf das Betätigungselement zu verstehen, die besagte Relativbewegung des Füllraums bewirken.
Auf diese Weise ist die Ausbringeinrichtung nicht auf eine interne Antriebseinheit oder dergleichen angewiesen, sondern kann durch Wechselwirkung des Betätigungselements mit weiteren Elementen betätigt werden. Dies reduziert Kosten und Wartungsaufwand im Vergleich zur Ausführungsform mit Antriebseinheit.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Beschichter dabei ein an der Werkzeugmaschine, insbesondere am Träger, befestigtes erstes Kontaktelement, wobei der Beschichter ausgelegt ist, durch eine Verfahrbewegung des Grundkörpers, insbesondere durch die erste Verfahrbewegung, das Betätigungselement durch Wechselwirkung mit dem ersten Kontaktelement derart zu betätigen, dass dies die erste Relativbewegung zum Entleeren des Füllraums bewirkt.
Auf diese Weise wird die Betätigung der Ausbringeinrichtung zum Entleeren des Füllraums vorteilhafter Weise durch Verfahrbewegungen des Beschichters selbst initiiert, sobald das Betätigungselement mit dem ersten Kontaktelement wechselwirkt. Dadurch kann auf andernfalls notwendige Antriebseinheiten innerhalb des Beschichters verzichtet werden, wodurch nicht nur die Kosten und der Bauraum, sondern auch ein Wartungsaufwand reduziert werden.
Ferner stellt die mechanische Wechselwirkung einen zuverlässigen „Endschalter“ dar, der ein Entleeren des Füllraums stets an der gleichen Position im Zuge der Verfahrbewegung des Grundkörpers bewirkt und im Vergleich zu einem elektronischen Endschalter auch ausfallsicher ist.
Beispiele für Paarungen des Betätigungselements und des ersten Kontaktelements sind Paarungen aus Kontaktscheibe und Rollkontaktelement (siehe 1), Zahnradscheibe und Zahnstange (siehe 2), Exzenterkurbel und Profilkörper (siehe 3) oder eine beliebig geartete Kulissenführung.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Beschichter ein an der Werkzeugmaschine befestigtes zweites Kontaktelement, wobei der Beschichter ausgelegt ist, durch eine Verfahrbewegung des Grundkörpers das Betätigungselement durch Kontaktherstellung mit dem zweiten Kontaktelement derart zu betätigen, dass dies eine zweite Relativbewegung des Füllraums gegenüber dem Grundkörper bewirkt, infolge derer der Füllraum in eine Ausgangsstellung verbracht wird, die sich zum Nachfüllen von im Füllraum zu speicherndem Material eignet.
Auf diese Weise wird ein durchweg automatisierter Bewegungsablauf des Füllraums umgesetzt, der lediglich von den Verfahrbewegungen des Grundkörpers des Beschichters abhängt.
In einer bevorzugten, dazu alternativen Ausführungsform umfasst der Beschichter ein mit dem Materialspeicher verbundenes Rückstellelement, welches eine Rückstellkraft auf den Materialspeicher ausübt, um eine zweite Relativbewegung des Füllraums gegenüber dem Grundkörper zu bewirken, infolge derer der Füllraum in eine Ausgangsstellung verbracht wird, die sich zum Nachfüllen von im Füllraum zu speicherndem Material eignet.
Auf diese Weise kann nach erfolgter erster Relativbewegung der Füllraum durch die Rückstellkraft zurück in die Ausgangsstellung verbracht werden, was insbesondere dann geschieht, wenn das Betätigungselement nicht länger mit dem ersten Kontaktelement wechselwirkt.
Gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung wird eine Befüllvorrichtung zum Befüllen eines Materialspeichers eines Beschichters bereitgestellt, der zum Aufbringen von Materialschichten auf einen Träger einer Werkzeugmaschine eingerichtet ist und dazu relativ zum Träger verfahrbar ist, umfassend einen Zufuhrspeicher mit einem Speicherraum zum Speichern von Material und einer Auslassöffnung zur Abgabe von im Speicherraum gespeichertem Material und eine am Zufuhrspeicher angeordnete Abgabevorrichtung, die eingerichtet ist, durch eine Verfahrbewegung des Beschichters aus einer die Auslassöffnung verschließenden ersten Stellung in eine die Auslassöffnung freigebende zweite Stellung verbracht zu werden, dergestalt, dass im Speicherraum gespeichertes Material über die Auslassöffnung in den Materialspeicher des Beschichters gefüllt wird. Die Werkzeugmaschine ist dabei insbesondere zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks aus den durch den Beschichter aufgebrachte Materialschichten eingerichtet.
Auf diese Weise fungiert die Verfahrbewegung des Beschichters selbst als Auslöser für ein Befüllen bzw. Nachfüllen seines Materialspeichers und kommt damit völlig ohne elektronische Endschalter oder dergleichen aus, die ein Befüllen, beispielsweise über eine Dosierschnecke, initiieren, sobald der Beschichter seine Nachfüllposition unterhalb der Auslassöffnung des Zufuhrspeichers erreicht hat.
Ferner wird auch kein direkter Antrieb relativmechanischer Verschlusskomponenten des Zufuhrspeichers benötigt, zum Beispiel über einen Elektromotor, da die zum Betätigen der Abgabevorrichtung notwendig Betätigungskraft gänzlich durch den Beschichter selbst aufgebracht wird.
Die Befüllvorrichtung ist somit als passive und im Wesentlichen stationär an der Werkzeugmaschine befestigte Vorrichtung zur Wechselwirkung mit dem verfahrbaren Beschichter eingerichtet, um durch besagte Wechselwirkung ein Befüllen des Materialspeichers desselbigen zu bewirken.
Die Auslassöffnung bleibt dabei ohne Wechselwirkung mit dem Beschichter verschlossen, sodass bei anderweitigen Verfahrbewegungen des Beschichters, zum Beispiel zum Aufbringen einer Materialschicht, der Speicherraum des Zufuhrspeichers mit einer weiteren Menge an Material für einen nächsten Befüllungsvorgang versorgt werden kann.
Vorzugsweise umfasst die Ausgabevorrichtung ein Rückstellelement, das durch Aufbringen einer Rückstellkraft die Auslassöffnung verschließt, sobald der Beschichter nicht mehr mit der Befüllvorrichtung wechselwirkt, zum Beispiel in Folge eines Kontaktverlusts bei Verfahren des Beschichter aus seiner Nachfüllposition heraus.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Abgabevorrichtung als ein bezüglich des Zufuhrspeichers beweglich gelagertes Schiebeelement ausgeführt, das einen Kontaktabschnitt aufweist, der ausgestaltet ist, im Zuge der Verfahrbewegung des Beschichters mit diesem in Kontakt zu kommen und mit Fortschreiten der Verfahrbewegung das Schiebeelement von der ersten Stellung in die zweite Stellung zu verschieben.
Auf diese Weise kann eine übersetzungsfreie Wechselwirkung zwischen Befüllvorrichtung bzw. deren Ausgabevorrichtung und dem Beschichter bereitgestellt werden, wobei die Betätigung der Ausgabeeinrichtung durch Kontaktherstellung am Kontaktabschnitt erfolgt. Bei Einrichtung der Befüllvorrichtung an der Werkzeugmaschine ist somit lediglich eine initiale Positionierung des Kontaktabschnitts in Abhängigkeit des Beschichters erforderlich.
Um auf Beschichter unterschiedlicher Abmessungen angepasst werden zu können, umfasst das Schiebelement dabei vorzugsweise Verstellmittel, zum Beispiel einen Auszug oder dergleichen, um die Position des Kontaktabschnitts relativ zum Zufuhrspeicher auf die Nachfüllposition des Beschichters anpassen zu können.
Alternativ zur Ausführung als Schiebeelement kann die Abgabevorrichtung auch als Kippelement ausgeführt sein, mit einem Hebelabschnitt der ausgestaltet ist, im Zuge der Verfahrbewegung des Beschichters mit diesem in Kontakt zu kommen und mit Fortschreiten der Verfahrbewegung das Kippelement von der ersten Stellung in die zweite Stellung zu kippen (im Sinne einer Rotation um einen Lagerpunkt des Kippelements)
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Befüllvorrichtung ferner ein Materialreservoir und eine Dosiervorrichtung, die eingerichtet ist, den Speicherraum des Zufuhrspeichers mit einer vorgegebenen Menge an Material aus dem Materialreservoir zu füllen.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass zwischen einzelnen Befüllungsvorgängen am Beschichter der Speicherraum des Zufuhrspeichers stets mit der erforderlichen Menge an in den Beschichter zu füllendem Material versorgt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Zufuhrspeicher einen weiteren Speicherraum für Material und eine weitere Auslassöffnung zur Abgabe von im weiteren Speicherraum gespeichertem Material, wobei die Abgabevorrichtung ausgestaltet ist, in der ersten Stellung ebenfalls die weitere Auslassöffnung zu verschließen und in der zweiten Stellung ebenfalls die weitere Auslassöffnung freizugeben.
Auf diese Weise wird nicht nur der Materialspeicher des Beschichters infolge der Verfahrbewegung des Beschichters befüllt, sondern es kann auch simultan eine weitere Menge an Material auf den Träger der Werkzeugmaschine über die weitere Auslassöffnung ausgebracht werden, die bei einem Verfahren des Beschichters aus der Nachfüllposition heraus schichtbildend auf dem Träger ausgebreitet wird.
So wird eine einzige Verfahrbewegung des Beschichters an der Befüllvorrichtung derart vorteilhaft ausgenutzt, dass eine erste Menge an Material automatisiert auf den Träger ausgebracht wird und im Wesentlichen zeitgleich eine zweite Menge an Material in den Materialspeicher des Beschichters gefüllt wird, wobei aus der ersten Menge in direktem Anschluss eine erste Materialschicht ausgebreitet wird und danach eine zweite Materialschicht, die auf Basis des im Materialspeicher gespeicherten Materials auf den Träger ausgebreitet wird.
Gemäß eines dritten Aspekts der Erfindung wird ein System zum Aufbringen von Materialschichten auf einen Träger einer Werkzeugmaschine bereitgestellt. Die Werkzeugmaschine ist zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks aus den aufgebrachten Materialschichten eingerichtet und umfasst einen Beschichter gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung sowie eine Befüllvorrichtung gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts der Erfindung, die zum Befüllen des Materialspeichers des Beschichters eingerichtet ist.
Auf diese Weise wird ein System zum Aufbringen von Materialschichten im Wege der additiven Fertigung bereitgestellt, das die vorstehenden Vorteile des Beschichters gemäß des ersten Aspekts und der Befüllvorrichtung gemäß des zweiten Aspekts miteinander vereint.
Insbesondere in Ausführungsformen des Beschichters mit Betätigungselement werden nahezu alle das aufzubringende Material bewegende Aktionen durch Verfahrbewegungen des Beschichters gegenüber dem Träger der Werkzeugmaschine ausgelöst bzw. durchgeführt.
Das System gemäß des dritten Aspekts kommt somit beispielsweise ohne elektronische Endschalter aus, die die Aktionen der einzelnen Komponenten aufeinander abstimmen, wodurch eine einfache und gänzlich mechanische Synchronisierung von Träger, Beschichter und Befüllvorrichtung erfolgt, was nicht nur ausfallsicher, sondern auch kostengünstig und wartungsarm ist.
Gemäß eines vierten Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zum additiven Fertigen eines Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine bereitgestellt, die zumindest einen Träger und einen Beschichter zum Aufbringen von Materialschichten auf den Träger umfasst. Das Verfahren umfasst hierbei zumindest ein Ausbringen einer in einem Füllraum eines Materialspeichers des Beschichters gespeicherten Menge an Material auf den Träger der Werkzeugmaschine, ein Aufbringen einer Materialschicht auf den Träger durch schichtbildendes Ausbreiten der aus dem Füllraum ausgebrachten Menge an Material durch den Beschichter und ein Aufbauen einer Werkstückschicht des Werkstücks aus Teilen der aufgebrachten Materialschicht durch Schmelzen oder Sintern, wobei das Ausbringen der im Füllraum des Materialspeichers des Beschichters gespeicherten Menge an Material auf den Träger ein Bewegen des Füllraums relativ zu einem den Materialspeicher tragenden Grundkörper des Beschichters zum Entleeren des Füllraums umfasst.
Das Verfahren zum additiven Fertigen bedient sich damit der Vorteile des gleichmäßigen, schnellen und zuverlässigen Aufbringens einer Materialschicht, wie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Beschichter beschrieben.
Dies erlaubt eine effiziente additive Fertigung von Werkstücken mit geringen Stillstandzeiten sowie einer hohen Fertigungsgüte.
Die Materialschichten sollten üblicherweise gleichmäßig aus einer vorbestimmten Menge an Material aufgebracht werden. Allerdings ergeben sich beispielsweise aufgrund des unregelmäßigen und teilweise unvollständigen Entleerens über eine Verschlussmechanik Mengenschwankungen des ausgebrachten Materials, sodass eine Materialschicht unter Umständen nicht vollständig aufgebracht werden kann, da zu wenig Material ausgebracht wurde. Um dieses Problem im Falle des Einsatzes von Verschlussmechaniken zu kompensieren, wird üblicherweise das auszubringende Material über die vorbestimmte Menge hinweg überdosiert.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Beschichters erlaubt dagegen aufgrund des Entleerens durch Relativbewegung des Füllraums ein vollständiges Entleeren des darin gespeicherten Materials, sodass kein Überdosierung mehr erforderlich ist und so Material im Zuge des Aufbringens der Materialschichten eingespart werden kann.
Ebenso werden, wie für den erfindungsgemäßen Beschichter beschrieben, die mechanischen Komponenten des Beschichters nur gering durch das aufzubringende Material beansprucht, sodass durch Verschleiß bedingte Ungenauigkeiten beim Aufbringen der Materialschichten ebenfalls reduziert und eine Lebensdauer beim Einsatz des Beschichters im Wege der additiven Fertigung erhöht werden kann.
Vorzugsweise umfasst das Ausbringen der Materialschicht auf den Träger durch schichtbildendes Ausbreiten der aus dem Füllraum ausgebrachten Menge an Material durch den Beschichter ein Verfahren des Grundkörpers des Beschichters relativ zum Träger der Werkzeugmaschine.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren vor dem Ausbringen der im Füllraum des Materialspeichers gespeicherten Menge an Material, ein Ausbringen einer ersten Menge an Material auf den Träger der Werkzeugmaschine und ein Befüllen des Füllraums des Materialspeichers des Beschichters mit der im Füllraum zu speichernden Menge an Material.
Auf diese Weise erfolgt ein Bereitstellen der erforderlichen Mengen an Material für zwei sukzessive aufzubringende Materialschichten gemeinsam in einer Nachfüllposition des Beschichters.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren anschließend ein Aufbringen einer ersten Materialschicht auf den Träger durch schichtbildendes Ausbreiten der auf den Träger ausgebrachten ersten Menge an Material, insbesondere durch ein erstes Verfahren des Grundkörpers relativ zum Träger, sowie ein Aufbauen einer ersten Werkstückschicht des zu fertigenden Werkstücks aus Teilen der aufgebrachten ersten Materialschicht durch Schmelzen oder Sintern.
Auf diese Weise erfolgt ein Aufbringen der ersten Materialschicht über den Beschichter unter zeitgleichem Mitführen der erforderlichen Menge von Material für ein sich anschließendes Aufbringen der Materialschicht, die aus dem gespeicherten Material im Füllraum ausgebreitet werden wird. Dadurch wird die Anzahl an Verfahrwegen und somit die Fertigungszeit reduziert. Erreicht der Beschichter seine Endposition und hat die erste Materialschicht aufgebracht, kann umgehend der Aufbau der ersten Werkstückschicht erfolgen, ohne dass der Beschichter vorher in seine Ausgangsstellung zurückverfahren werden muss.
Nach erfolgtem Aufbau der ersten Werkstückschicht erfolgt das Ausbringen der gespeicherten Menge an Material aus dem Füllraum, mit den sich anschließenden, obig beschriebenen Verfahrensschritten.
Vorzugsweise kann das Ausbringen der gespeicherten Menge an Material aber auch simultan zum Aufbau der ersten Werkstückschicht erfolgen, um Prozesszeiten bei der Fertigung weiter zu reduzieren.
Weitere Aspekte und deren Vorteile als auch speziellere Ausführungsbeispiele der zuvor genannten Aspekte und Merkmale werden im Folgenden unter Zuhilfenahme der in den beigefügten Figuren gezeigten Zeichnungen beschrieben.

1A bis 1C zeigen schematische Querschnittsansichten eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschichters für verschiedene Positionen im Zuge einer Verfahrbewegung des Grundkörpers.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschichters.
3A bis 3C zeigen ein perspektivische Ansicht eines Ausschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschichters für verschiedene Positionen im Zuge einer Verfahrbewegung des Grundkörpers.
4A und 4B zeigen Ansichten eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschichters.
5A und 5B zeigen schematische Ansichten einer Werkzeugmaschine mit einem Beschichter und einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Befüllvorrichtung in verschiedenen Zuständen
6 zeigt ein Ablaufdiagram eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum additiven Fertigen eines Werkstücks.

Es wird hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt ist. Die Erfindung umfasst weiterhin Modifikationen der genannten Ausführungsbeispiele, insbesondere diejenigen, die aus Modifikationen und/oder Kombinationen einzelner oder mehrerer Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche hervorgehen.
Ausführliche Figurenbeschreibung
1A bis 1C zeigen schematische Querschnittsansichten eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschichters 10 für verschiedene Positionen im Zuge einer Verfahrbewegung eines Grundkörpers 11 des Beschichters 10.
Der dargestellte Beschichter 10 umfasst den Grundkörper 11 und einen von diesem getragenen Materialspeicher 12 für Material 1, welches durch den Beschichter 10 in Form einer Materialschicht auf einen Träger 31 einer Werkzeugmaschine aufgebracht werden soll, um daraus im Wege einer additiven Fertigung eine Werkstückschicht eines zu fertigenden Werkstücks aufzubauen.
Der Träger 31 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel plattenförmig gestaltet, wobei der Grundkörper 11 des Beschichters 10 relativ zum Träger 31 der Werkzeugmaschine verfahrbar ist.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 11 translatorisch entlang der dargestellten x-Richtung vor und zurück zwischen einer ersten und einer zweiten Endposition bezüglich des Trägers 31 verfahrbar, wobei die x-Richtung dabei parallel zu einer Oberfläche des plattenförmigen Trägers 31 verläuft.
Der Beschichter umfasst unterseitig ein dem Träger 31 zugewandtes Ausbreitungselement 19, das beispielsweise als Beschichterbürste, Beschichterlippe oder Beschichterklinge ausgeführt sein kann, und zum schichtbildenden Ausbreiten einer auf dem Träger 31 befindlichen Menge an Material 1 im Zuge einer Verfahrbewegung zwischen der ersten und der zweiten Endposition (und umgekehrt) des Grundkörpers 11 eingerichtet ist.
Der Materialspeicher 12 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel zylinderförmig ausgeführt und umfasst einen Füllraum 13 mit halbkreisförmigem Querschnitt und einer in einer Ausgangsstellung (siehe 1A) oberseitigen Öffnung, durch die zu speicherndes Material 1 in den Füllraum 13 des Materialspeichers 12 gefüllt werden kann. Der Materialspeicher 12 mit Füllraum 13 erlaubt dabei ein Speichern und Mitführen von Material 1 im Zuge einer Verfahrbewegung des Grundkörpers 11.
Auf diese Weise kann während eines ersten schichtbildenden Ausbreitens einer ersten Menge an Material 1 auf dem Träger 31 durch das Ausbreitungselement 19 im Zuge einer ersten Verfahrbewegung von der ersten zur zweiten Endposition entlang der x-Richtung bereits eine zweite Menge an Material 1 für ein zweites schichtbildendes Ausbreiten im Zuge einer sich anschließenden zweiten Verfahrbewegung entgegen der eingezeichneten x-Richtung von der zweiten zurück zur ersten Endposition mitgeführt werden.
Erreicht der Grundkörper 11 am Ende der ersten Verfahrbewegung seine Endposition relativ zum Träger 31, ist der Beschichter 10 dazu eingerichtet, die im Füllraum 13 gespeicherte Menge an Material 1 auf den Träger 31 auszubringen, wie dies in der chronologischen Abfolge in den 1A bis 1C dargestellt ist.
Hierzu umfasst der Beschichter 10 eine Ausbringeinrichtung, die vorliegend eine drehbare Lagerung des Materialspeichers 12 umfasst und die eingerichtet ist, den Füllraum 13 des Materialspeichers 12 durch eine rotatorische Relativbewegung des Füllraums 13 gegenüber dem Grundkörper 11 (um die Rotationsachse R) zu entleeren.
Zum Initiieren der rotatorischen Relativbewegung umfasst die Ausbringeinrichtung ein mit dem Materialspeicher verbundenes Betätigungselement, das vorliegend als halbkreisförmige Kontaktscheibe 15a ausgeführt ist.
Die Kontaktscheibe 15a ist nicht auf einen Halbkreisform beschränkt, sondern kann als beliebiger Teil- oder Vollkreis im gezeigten Querschnitt ausgebildet sein. Eine Drehung der Kontaktscheibe 15a überträgt sich dabei auf den Materialspeicher 12 und bewirkt die rotatorische Relativbewegung des Füllraums 13.
Der Beschichter 10 umfasst ferner ein erstes, am Träger 31 befestigtes Kontaktelement, das vorliegend als Rollkontaktelement 16a ausgeführt ist. Der Beschichter 10 ist dabei derart ausgelegt, dass durch die Verfahrbewegung des Grundkörpers 11 entlang der x-Richtung die Kontaktscheibe 15a mit dem Rollkontaktelement 16a derart wechselwirkt, dass dadurch die rotatorische Relativbewegung zum Entleeren des Füllraums 13 bewirkt wird.
Ausgehend von der Position in 1A kommt es mit fortschreitender Verfahrbewegung des Grundkörpers zu einer Kontaktherstellung (siehe 1B) der Kontaktscheibe 15a und dem Rollkontaktelement 16a, infolge dessen die Kontaktscheibe 15a auf dem Rollkontaktelement abrollt, wobei sich die Drehung der Kontaktscheibe 15a auf den Materialspeicher 12 und dessen Füllraum 13 überträgt, der aus seiner Ausgangsstellung heraus in Abhängigkeit des Abrollens der Kontaktscheibe 15a relativ zum Grundkörper 11 verdreht wird.
Die Drehung bewirkt eine Positionsänderung des Füllraums 13 und insbesondere seiner Öffnung relativ zum Grundkörper 11, wobei mit fortschreitender Drehung das pulverförmige Material 1 relativ zum Füllraum 13 zu fließen beginnt, sich auf die Öffnung des Füllraums 13 zubewegt und durch diese auf den Träger 31 gelangt. Die Relativbewegung endet dabei in der in 1C dargestellten Position, in welcher der Füllraum 13 vollständig entleert wurde.
Das pulverförmige Material 1 gerät dabei nicht in Kontakt mit relativmechanischen Komponenten des Beschichters 10, wie zum Beispiel Lagerstellen, Führungsfugen und dergleichen, was u. a. den Verschließ reduziert und die Lebensdauer erhöht.
Ebenso wird durch Bewegen des Füllraums 13 selbst, das exemplarisch in der in 1C gezeigten Überkopfposition des Füllraums 13 endet, ein vollständiges Entleeren desselbigen ohne darin verbleibende Rückstände an Material gewährleistet.
Wie in 1C dargestellt, wurde die Menge an Material 1 aus dem Füllraum 13 des Materialspeichers auf den Träger ausgebracht und kann in einer zweiten Verfahrbewegung des Grundkörpers 11 entgegen der dargestellten x-Richtung durch das Ausbreitungselement 19 schichtbildend auf dem Träger 31 ausgebreitet werden.
Ferner umfasst der Beschichter 10 noch einen in den dargestellten Querschnitten linksseitige Durchgangskanal 14, der sich ausgehend von einer Oberseite des Grundkörpers 11 zu einer dem Träger 31 zugewanderten Unterseite erstreckt. Der Durchgangskanal 14 dient dabei dem direkten Zuführen von Material 1 auf den Träger 31 in Wechselwirkung mit einer hier nicht dargestellten Befüllvorrichtung, die eingerichtet ist, Material sowohl in den Füllraum 13 des Materialspeichers 12 zu füllen als auch durch den Durchgangskanal 14 direkt auf den Träger 31 auszubringen, insbesondere um Letztgenanntes im Zuge der ersten Verfahrbewegung schichtbildend auszubreiten, während eine weitere Menge an Material 1 im Füllraum 13 mitgeführt wird.
2 zeige ein schematische Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschichters.
Der Aufbau des Beschichters 10 entspricht bis auf die Ausführung des Betätigungselements der Ausbringeinrichtung und des ersten Kontaktelements der des ersten Ausführungsbeispiels aus den 1A bis 1C, sodass auf eine erneute Beschreibung an dieser Stelle verzichtet wird.
Das Bestätigungselement des zweiten Ausführungsbeispiels ist als Zahnradscheibe 15b ausgeführt, die mit einer am Träger 31 befestigten Zahnstange 16b, als erstes Kontaktelement, wechselwirkt, um die rotatorische Relativbewegung des Füllraums 13 auf Basis einer Verzahnungsmechanik zu bewirken.
Im Vergleich zur Ausführung mit Kontaktscheibe 15a und Rollkontaktelement 16a aus 1 ist die vorliegende Ausführung teurer, allerdings besteht keine Problematik eines Schlupfs beim Abrollen der Kontaktscheibe 15a, sodass die rotatorische Relativbewegung besser kontrolliert werden kann.
Sowohl beim ersten als auch beim zweiten Ausführungsbeispiel ist das erste Kontaktelement - Rollkontaktelement 16a bzw. Zahnstange 16b - zeitgleich ein zweites Kontaktelement, das im Zuge der zweiten Verfahrbewegung des Grundkörpers 11 mit dem Betätigungselement - Kontaktscheibe 15a bzw. Zahnradscheibe 15b - wechselwirkt, um den Füllraum 13 im Wege einer zweiten Relativbewegung in seine Ausgangsstellung zurück zu verbringen, sodass der Füllraum 13 erneut mit zu speicherndem Material 1 befüllt werden kann.
Eine weitere Möglichkeit zum Initiieren der Relativbewegung des Füllraums 13 ist in den 3A bis 3C gezeigt, die perspektivische Ansichten eines Ausschnitts eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Beschichters 10 für verschiedene Positionen im Zuge einer Verfahrbewegung des Grundkörpers 11 zeigen.
Der dargestellte Beschichter 10 umfasst den nur teilweise dargestellten Grundkörper 11 und einen von diesem getragenen Materialspeicher 12 zum Speichern von Material, welches durch den Beschichter 10 in Form einer Materialschicht auf einen hier nicht dargestellten Träger einer Werkzeugmaschine aufgebracht werden soll, um daraus im Wege einer additiven Fertigung eine Werkstückschicht eines zu fertigenden Werkstücks aufzubauen.
Der Grundkörper 11 des Beschichters 10 ist relativ zum Träger der Werkzeugmaschine verfahrbar. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 11 translatorisch entlang der dargestellten x-Richtung vor und zurück verfahrbar.
Der Materialspeicher 12 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel zylinderförmig ausgeführt und umfasst einen in die Zylindergeometrie eingebrachte nutförmige Aussparung als Füllraum 13 mit einer zylindermantelseitigen Öffnung, durch die zu speicherndes Material in den Füllraum 13 des Materialspeichers 12 gefüllt werden kann.
Der Beschichter 10 umfasst eine seitlich zum Materialspeicher 12 angeordnete Ausbringeinrichtung, die vorliegend eine drehbare Lagerung des Materialspeichers 12 bezüglich des gezeigten Ausschnitts des Grundkörpers 11 umfasst.
Besagte Lagerung kann dabei zum Beispiel als Wälz- oder Gleitlager ausgeführt sein. Die Ausbringeinrichtung ist dazu eingerichtet, den Füllraum 13 des Materialspeichers 12 durch eine rotatorische Relativbewegung des Füllraums 13 gegenüber dem Grundkörper 11 um die Rotationsachse R zu entleeren (vergleiche Positionen des Füllraums 12 in 3A und in 3B).
Zum Initiieren der rotatorischen Relativbewegung umfasst die Ausbringeinrichtung ein mit dem Materialspeicher 12 verbundenes Betätigungselement, das vorliegend als Exzenterkurbel 15c ausgeführt ist. Die Exzenterkurbel 15c umfasst einen bezogen auf die Rotationsachse R des Materialspeichers 12 exzentrisch positionierten Zapfen, der eingerichtet ist, mit werkzeugmaschinenseitigen Kontaktelementen 16c, 16d wechselzuwirken, um rotatorische Relativbewegungen des Füllraums 13 zu bewirken.
Hierzu umfasst der Beschichter 10 ein an der Werkzeugmaschine befestigtes erstes Kontaktelement, das als Profilkörper 16c mit einer gekrümmten Führungsfläche ausgeführt ist, entlang derer der Zapfen der Exzenterkurbel 15c im Zuge der ersten Verfahrbewegung entlang der x-Richtung nach Kontaktherstellung (siehe 1B) derart geführt wird, dass dies eine Drehung der Exzenterkurbel 15c bewirkt, die sich auf den Materialspeicher 12 überträgt und die den Füllraum 13 entleerende Relativbewegung bewirkt.
Nach Erreichen der Endposition (siehe 3C) kann der entleerte Füllraum 12 durch Wechselwirkung mit einem an der Werkzeugmaschine befestigten zweiten Kontaktelement wieder in seine Ausgangsstellung verbracht werden. Ähnlich zum ersten Kontaktelement ist auch das zweite Kontaktelement als zweiter Profilkörper 16d mit einer gekrümmten Führungsfläche ausgebildet, entlang derer der Zapfen der Exzenterkurbel 15c im Zuge der zweiten Verfahrbewegung entgegen der x-Richtung nach Kontaktherstellung derart geführt wird, dass dies eine Drehung der Exzenterkurbel 15c bewirkt, die sich auf den Materialspeicher 12 überträgt und den Füllraum 13 in seine Ausgangsstellung verbringt.
4A und 4B zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Beschichters in einer perspektivischen Ansicht (4A) sowie in einer vergrößerten Querschnittsansicht (4B).
Der dargestellte Beschichter 10 umfasst einen rahmenförmigen Grundkörper 11, der in einer ersten Aussparung einen Materialspeicher 12 zum Speichern von Material trägt, welches durch den Beschichter 10 in Form einer Materialschicht auf einen hier nicht dargestellten Träger einer Werkzeugmaschine aufgebracht werden soll, um daraus im Wege einer additiven Fertigung eine Werkstückschicht eines zu fertigenden Werkstücks aufzubauen.
Der Grundkörper 11 des Beschichters 10 ist relativ zum Träger der Werkzeugmaschine verfahrbar. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 11 translatorisch entlang der dargestellten x-Richtung vor und zurück verfahrbar.
Der Beschichter umfasst unterseitig ein dem Träger zugewandtes Ausbreitungselement 19, das vorliegend als Beschichterlippe ausgeführt ist, und zum schichtbildenden Ausbreiten einer auf dem Träger befindlichen Menge an Material 1 im Zuge einer Verfahrbewegung des Grundkörpers 11 eingerichtet ist.
Der Materialspeicher 12 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Muldenwelle ausgeführt, deren muldenförmige Aussparung als Füllraum 13 für das Material fungiert.
Der Beschichter 10 umfasst eine Ausbringeinrichtung, die vorliegend eine drehbare Lagerung des Materialspeichers 12 bezüglich des Grundkörpers 11 mit jeweils seitlichen Lagerstellen 17 umfasst. 4B zeigt hierzu eine vergrößerte Querschnittsansicht im Bereich der vorderen Lagerstelle 17 aus 4A, die eine Umsetzung der drehbaren Lagerung über ein Kugellager zeigt.
Die Ausbringeinrichtung ist dazu eingerichtet, den Füllraum 13 des Materialspeichers 12 durch eine rotatorische Relativbewegung des Füllraums 13 gegenüber dem Grundkörper 11 um die Rotationsachse R zu entleeren.
Zum Initiieren der rotatorischen Relativbewegung umfasst die Ausbringeinrichtung ein mit dem Materialspeicher 12 verbundenes Betätigungselement, das vorliegend als Exzenterkurbel 15c ausgeführt ist, ähnlich zum Ausführungsbeispiels aus 3.
Die Exzenterkurbel 15c umfasst einen bezogen auf die Rotationsachse R des Materialspeichers 12 exzentrisch positionierten Zapfen, der eingerichtet ist, mit hier nicht dargestellten werkzeugmaschinenseitigen Kontaktelementen wechselzuwirken, um rotatorische Relativbewegungen des Füllraums 13 zu bewirken (siehe hierzu auch 3A bis 3C). Die Exzenterkurbel 15c ist vorliegend mit einer Stirnseite des als Muldenwelle ausgeführten Materialspeichers 12 drehfest verschraubt, sodass sich eine Drehung der Exzenterkurbel 15c auf die Muldenwelle überträgt.
Ferner umfasst der Beschichter ein elastisches, als Spiralfeder ausgeführtes Rückstellelement 18, welches über die Exzenterkurbel 15c mit dem Materialspeicher 12 verbunden ist. Ein Verbindungspunkt ist dabei exzentrisch zur Rotationsachse R, sodass die durch das Rückstellelement 18 aufgebrachte Rückstellkraft ein Rückstellmoment auf den Materialspeicher 12 aufbringt, um diesen in eine Ausgangsstellung (entspricht dargestellter Stellung in 4A) zu verbringen, der sich zum Befüllen des Füllraums 13 eignet.
5A und 5B zeigen schematische Ansichten einer Werkzeugmaschine 30 mit einem Beschichter 10 und einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Befüllvorrichtung 20 in verschiedenen Zuständen.
5A zeigten einen Zustand mit in einer Nachfüllposition befindlichem Beschichter 10, wohingegen 5B einen Zustand zeigt, bei dem der Beschichter 10 sich in einer der Nachfüllposition gegenüberliegenden Endposition befindet.
Die Werkzeugmaschine umfasst einen Träger 31, eine Bearbeitungsvorrichtung 32, die zur optischen Bestrahlung von Materialschichten auf dem Träger mit einem Laserstrahl 33 eingerichtet ist sowie ein einen Prozessraum der Werkzeugmaschine 30 begrenzendes Gehäuse 34.
Ferner umfasst die Werkzeugmaschine 30 einen Beschichter 10 sowie eine Befüllvorrichtung 20 zum Befüllen eines Materialspeichers 12 des Beschichters 10.
Der in 5A und 5B gezeigte Beschichter 10 kann als Beschichter gemäß des ersten Aspekts der Erfindung ausgeführt sein, ist jedoch nicht auf diesen beschränkt, so lange der Beschichter 10 einen Materialspeicher 12 mit einem Füllraum umfasst, der durch die Befüllvorrichtung 20 befüllt werden kann, sodass darin gespeichertes Material 1 während einer Verfahrbewegung des Beschichters 10, vorliegend translatorisch entlang der Richtung T, mitgeführt werden kann.
Der Beschichter 10 umfasst einen Durchgangskanal 14 zum direkten Durchleiten von Material 1 von einer oberseitigen Öffnung zu einer unterseitigen, dem Träger 31 zugewandten Öffnung.
Die Befüllvorrichtung 20 umfasst einen Zufuhrspeicher 21 mit einem Speicherraum 22 zum Speichern von Material 1 und einer Auslassöffnung 22a zur Abgabe von im Speicherraum 22 gespeichertem Material 1 und eine am Zufuhrspeicher 21 angeordnete Abgabevorrichtung, die als Schiebeelement 24 ausgestaltet ist, und eingerichtet ist, durch eine Verfahrbewegung des Beschichters 10 aus einer die Auslassöffnung 22a verschließenden ersten Stellung (siehe 5B) in eine die Auslassöffnung 22a freigebende zweite Stellung (siehe 5A) verbracht zu werden, dergestalt, dass im Speicherraum 22 gespeichertes Material 1 über die Auslassöffnung 22a in den Materialspeicher 12 des Beschichters 10 gefüllt wird.
Das Schiebelement 24 weist dabei einen orthogonal zur Verfahrrichtung T ausgerichteten Kontaktabschnitt 24a auf, der ausgestaltet ist, im Zuge der Verfahrbewegung des Beschichters 10 mit dem Kontaktabschnitt 24a in Kontakt zu kommen und mit Fortschreiten der Verfahrbewegung, hier bei Verfahren des Beschichters 10 von links nach rechts, das Schiebeelement 24 von der ersten Stellung in die zweite Stellung zu verschieben, im Zuge dessen die Auslassöffnung 22a freigegeben wird.
Auf diese Weise wird mit in die Nachfüllposition einfahrendem Beschichter 10 (siehe 5A) der Materialspeicher 12 ohne zusätzliche Antriebseinheiten oder dergleichen befüllt, sondern lediglich auf Basis der durch den Beschichter 10 selbst bewirkten Verschiebung des Schiebeelements 24, welches parallel zur Verfahrrichtung T verschiebbar an der Unterseite des Zufuhrspeichers 21 gelagert ist.
Die Befüllvorrichtung 20 ist somit als passive und im Wesentlichen stationär an der Werkzeugmaschine 30 befestigte Vorrichtung zur Wechselwirkung mit dem verfahrbaren Beschichter 10 eingerichtet, um durch besagte Wechselwirkung ein Befüllen des Materialspeichers 12 desselbigen zu bewirken.
Zusätzlich umfasst die Befüllvorrichtung 20 weiterhin einen weiteren Speicherraum 23 mit einer zugehörigen weitern Auslassöffnung 23a, die ebenfalls durch das Schiebeelement 24 geöffnet und geschlossen werden kann, vorzugsweise gemeinsam mit der anderen Auslassöffnung 22a.
Das durch die Auslassöffnung 23a abgeleitete Material 1 gelangt dabei durch den Durchgangskanal 14 des Beschichters 10 direkt auf den Träger 31 und kann im Zuge einer Verfahrbewegung von der in 5A gezeigten Nachfüllposition zu der in 5B gezeigten Endposition schichtbildend ausgebreitet werden.
Ferner umfasst die Befüllvorrichtung 20 ein an einer oberseitigen Öffnung des Zufuhrspeichers 21 angeordnete Dosiervorrichtung 26, die vorliegend als Zellradschleuse ausgeführt ist, über die Material 1 aus einem Materialreservoir 25 in die Speicherräume 22, 23 gefüllt werden kann, nachdem die Speicherräume 22, 23 durch die Betätigung des Schiebeelements 24 durch den Beschichter 10 entleert worden sind.
Auf diese Weise kann ein erneuter Befüllungsvorgang des Materialspeichers 12 bzw. ein erneutes Ausbringen von Material durch den Durchgangskanal 14 des Beschichters 10 auf den Träger 31 erfolgen.
6 zeigt ein Ablaufdiagram eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Schritten S1 bis S7 zum additiven Fertigen eines Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine, die zumindest einen Träger und einen Beschichter zum Aufbringen von Materialschichten auf den Träger umfasst.
In Schritt S1 erfolgt ein Ausbringen einer ersten Menge an Material auf den Träger der Werkzeugmaschine.
In Schritt S2 erfolgt ein Befüllen eines Füllraums eines Materialspeichers des Beschichters mit einer im Füllraum zu speichernden zweiten Menge an Material.
In Schritt S3 erfolgt ein Aufbringen einer Materialschicht auf den Träger durch schichtbildendes Ausbreiten der auf den Träger ausgebrachten ersten Menge an Material, insbesondere durch eine erste Verfahrbewegung eines Grundkörpers des Beschichters relativ zum Träger.
In Schritt S4 erfolgt ein Aufbauen einer Werkstückschicht des zu fertigenden Werkstücks aus Teilen der aufgebrachten Materialschicht durch Schmelzen oder Sintern, insbesondere mit Hilfe einer laserbasierten Bearbeitungsvorrichtung der Werkzeugmaschine.
In Schritt S5 erfolgt ein Ausbringen der im Füllraum gespeicherten zweiten Menge an Material auf den Träger der Werkzeugmaschine durch ein Bewegen des Füllraums relativ zu dem den Materialspeicher tragenden Grundkörper des Beschichters zum Entleeren des Füllraums.
In Schritt S6 erfolgt ein Aufbringen einer weiteren Materialschicht auf den Träger durch schichtbildendes Ausbreiten der auf den Träger ausgebrachten zweiten Menge an Material, insbesondere durch eine zweite Verfahrbewegung des Beschichters relativ zum Träger.
In Schritt S7 erfolgt ein Aufbauen einer weiteren Werkstückschicht des zu fertigenden Werkstücks aus Teilen der aufgebrachten weiteren Materialschicht durch Schmelzen oder Sintern, insbesondere mit Hilfe einer laserbasierten Bearbeitungsvorrichtung der Werkzeugmaschine.
Im Anschluss werden die Schritte S1 bis S7 beliebig oft wiederholt, um so eine Vielzahl von Werkstückschichten aufzubauen, bis das gewünschte Werkstück gefertigt wurde.
Liste der Bezugszeichen

1: Material
10: Beschichter
11: Grundkörper
12: Materialspeicher
13: Füllraum
14: Durchgangskanal
15a: Kontaktscheibe
15b: Zahnradscheibe
15c: Exzenterkurbel
16a: Rollkontaktelement
16b: Zahnstange
16c: Profilkörper
16d: zweiter Profilkörper
17: Lagerstelle
18: Rückstellelement
19: Ausbreitungselement
20: Befüllvorrichtung
21: Zufuhrspeicher
22: Speicherraum
22a: Auslassöffnung
23: weiterer Speicherraum
23a: weitere Auslassöffnung
24: Schiebeelement
24a: Kontaktabschnitt
25: Materialreservoir
26: Dosiervorrichtung
30: Werkzeugmaschine
31: Träger
32: Bearbeitungsvorrichtung
33: Laserstrahl
34: Gehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202019103407 U1 [0007, 0009, 0022]
EP 2818305 A1 [0007, 0009, 0022]

Claims

Beschichter (10) zum Aufbringen von Materialschichten auf einem Träger (31) einer Werkzeugmaschine (30), die zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks aus den aufgebrachten Materialschichten eingerichtet ist, umfassend: - einen Grundkörper (11), der relativ zum Träger (31) der Werkzeugmaschine (30) verfahrbar ist; - eine vom Grundkörper (11) getragenen Materialspeicher (12) mit einem Füllraum (13) zum Speichern von Material (1); gekennzeichnet, durch eine Ausbringeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, den Füllraum (13) des Materialspeichers (12) durch eine erste Relativbewegung des Füllraums (13) gegenüber dem Grundkörper (11) zu entleeren, um im Füllraum (13) gespeichertes Material (1) auf den Träger (31) auszubringen.
Beschichter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringeinrichtung eine drehbare Lagerung umfasst, die den Materialspeicher (12) relativ zum Grundkörper (11) drehbar um eine Rotationsachse (R) lagert, derart, dass die erste Relativbewegung zum Entleeren des Füllraums (13) eine Drehung um die Rotationsachse (R) ist.
Beschichter (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichter (10) ein am Grundkörper (11) befestigtes Ausbreitungselement (19) umfasst, das zum schichtbildenden Ausbreiten einer auf dem Träger (31) platzierten Menge an Material durch eine Verfahrbewegung des Grundkörpers eingerichtet ist.
Beschichter (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (11) gegenüber dem Träger (31) zwischen einer ersten und einer zweiten Endposition verfahrbar ist, wobei der Beschichter (10) eingerichtet ist, über das Ausbreitungselement (19) eine erste Menge an Material (1) auf dem Träger (31) durch eine erste Verfahrbewegung des Grundkörpers (11) von der ersten zur zweiten Endposition schichtbildend auszubreiten und dabei eine zweite Menge an Material (1) im Materialspeicher (12) mitzuführen, und bei Erreichen der zweiten Endposition oder bei Erreichen einer zwischen der ersten und der zweiten Endposition befindlichen Ausbringposition den Füllraum (13) des Materialspeichers (12) durch die erste Relativbewegung zu entleeren, um die zweite Menge an Material (1) auf den Träger (31) auszubringen.
Beschichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichter (10) eingerichtet ist, über das Ausbreitungselement (19) die auf den Träger (31) bei Erreichen der zweiten Endposition oder bei Erreichen der Ausbringposition ausgebrachte zweite Menge an Material (1) durch eine zweite Verfahrbewegung des Grundkörpers (11) von der zweiten zur ersten Endposition schichtbildend auszubreiten.
Beschichter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringeinrichtung eine mit dem Materialspeicher (12) verbundene Antriebseinheit umfasst, die eingerichtet ist, die erste Relativbewegung des Füllraums (13) gegenüber dem Grundkörper (11) zu bewirken.
Beschichter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringeinrichtung ein mit Materialspeicher (12) verbundenes Betätigungselement (15a; 15b; 15c) umfasst, dessen Betätigung eine Relativbewegung des Füllraums (13) gegenüber dem Grundkörper (11) bewirkt.
Beschichter (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichter (10) ein an der Werkzeugmaschine (30) befestigtes erstes Kontaktelement (16a; 16b; 16c) umfasst, wobei der Beschichter (10) ausgelegt ist, durch eine Verfahrbewegung des Grundkörpers (11) das Betätigungselement (15a; 15b; 15c) durch Wechselwirkung mit dem ersten Kontaktelement (16a; 16b; 16c) derart zu betätigen, dass dies die erste Relativbewegung zum Entleeren des Füllraums (13) bewirkt.
Beschichter (10) nach den Ansprüchen 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichter (10) ein an der Werkzeugmaschine (30) befestigtes zweites Kontaktelement (16d) umfasst, wobei der Beschichter (10) ausgelegt ist, durch eine Verfahrbewegung des Grundkörpers (11) das Betätigungselement (15a; 15b; 15c) durch Kontaktherstellung mit dem zweiten Kontaktelement (16d) derart zu betätigen, dass dies eine zweite Relativbewegung des Füllraums (13) gegenüber dem Grundkörper (11) bewirkt, infolge derer der Füllraum (13) in eine Ausgangsstellung verbracht wird, die sich zum Nachfüllen von im Füllraum (13) zu speicherndem Material (1) eignet.
Beschichter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichter (10) ein mit dem Materialspeicher (12) verbundenes Rückstellelement umfasst, welches eine Rückstellkraft auf den Materialspeicher (12) ausübt, um eine zweite Relativbewegung des Füllraums (13) gegenüber dem Grundkörper (11) zu bewirken, infolge derer der Füllraum (13) in eine Ausgangsstellung verbracht wird, die sich zum Nachfüllen von im Füllraum (13) zu speicherndem Material (1) eignet.
Befüllvorrichtung (20) zum Befüllen eines Materialspeichers (12) eines Beschichters (10), der zum Aufbringen von Materialschichten auf einen Träger (31) einer Werkzeugmaschine (30) eingerichtet ist und dazu relativ zum Träger (31) verfahrbar ist, umfassend: - einen Zufuhrspeicher (21) mit einem Speicherraum (22) zum Speichern von Material und einer Auslassöffnung (22a) zur Abgabe von im Speicherraum (22) gespeichertem Material (1); gekennzeichnet durch eine am Zufuhrspeicher (21) angeordnete Abgabevorrichtung (24), die eingerichtet ist, durch eine Verfahrbewegung des Beschichters (10) aus einer die Auslassöffnung (22a) verschließenden ersten Stellung in eine die Auslassöffnung (22a) freigebende zweite Stellung verbracht zu werden, dergestalt, dass im Speicherraum (22) gespeichertes Material (1) über die Auslassöffnung in den Materialspeicher (12) des Beschichters (10) gefüllt wird.
Befüllvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabevorrichtung als ein bezüglich des Zufuhrspeichers (21) beweglich gelagertes Schiebeelement (24) ausgeführt ist, das einen Kontaktabschnitt (24a) aufweist, der ausgestaltet ist, im Zuge der Verfahrbewegung des Beschichters (10) mit diesem in Kontakt zu kommen und mit Fortschreiten der Verfahrbewegung das Schiebeelement (24) von der ersten Stellung in die zweite Stellung zu verschieben.
Befüllvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllvorrichtung (20) ferner ein Materialreservoir (25) und eine Dosiervorrichtung (26) umfasst, die eingerichtet ist, den Speicherraum (22) des Zufuhrspeichers (21) mit einer vorgegebenen Menge an Material (1) aus dem Materialreservoir (25) zu füllen.
Befüllvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Zufuhrspeicher (21) einen weiteren Speicherraum (23) für Material (1) und eine weitere Auslassöffnung (23a) zur Abgabe von im weiteren Speicherraum (23) gespeichertem Material (1) umfasst, wobei die Abgabevorrichtung (24) ausgestaltet ist, in der ersten Stellung ebenfalls die weitere Auslassöffnung (23a) zu verschließen und in der zweiten Stellung ebenfalls die weitere Auslassöffnung (23a) freizugeben.
System zum Aufbringen von Materialschichten auf einen Träger (31) einer Werkzeugmaschine (30), die zum schichtweisen Aufbau eines Werkstücks aus den aufgebrachten Materialschichten eingerichtet, umfassend: - einen Beschichter (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10; und - eine Befüllvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zum Befüllen des Materialspeichers (12) des Beschichters (10).
Verfahren zum additiven Fertigen eines Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine (30), die zumindest einen Träger (31) und einen Beschichter (10) zum Aufbringen von Materialschichten auf den Träger (31) umfasst, zumindest mit den Schritten: - Ausbringen einer in einem Füllraum (13) eines Materialspeichers (12) des Beschichters (10) gespeicherten Menge an Material (1) auf den Träger (31) der Werkzeugmaschine (30); - Aufbringen einer Materialschicht auf den Träger (31) durch schichtbildendes Ausbreiten der aus dem Füllraum (13) ausgebrachten Menge an Material (1) durch den Beschichter; - Aufbauen einer Werkstückschicht des Werkstücks aus Teilen der aufgebrachten Materialschicht durch Schmelzen oder Sintern; dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbringen der im Füllraum (13) des Materialspeichers (12) des Beschichters (10) gespeicherten Menge an Material (1) auf den Träger (31) umfasst: - Bewegen des Füllraums (13) relativ zu einem den Materialspeicher (12) tragenden Grundkörper (11) des Beschichters (10) zum Entleeren des Füllraums (13).