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Die Erfindung betrifft eine 3D-Druckvorrichtung für ein generatives Herstellverfahren, insbesondere ein Verfahren bei welchem Druckmaterial zum Erzeugen eines zu druckenden Körpers aufgetragen wird, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung. Aus dem Stand der Technik, insbesondere aus der
WO 2019/077512 A1 , ist eine Bauplattform für eine additive Fertigungsvorrichtung bekannt.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines robotergeführten 3D-Druckverfahrens beziehungsweise einer Vorrichtung, die zum Ausführen eines solchen Druckverfahrens eingerichtet ist, erläutert. Bei einem robotergeführten 3D-Druck wird schichtweise ein Druckwerkstoff beziehungsweise ein Druckmaterial durch einen Roboter, beziehungsweise einem Manipulator, aufgetragen, so dass auf einer Arbeitsplattform der zu druckende Körper aus diesem Druckwerkstoff aufgebaut wird. Abhängig von der Form des zu druckenden Körpers, insbesondere der zu druckenden Wandstärken, kann es vorkommen, dass sich der zu druckende Körper deformiert, also von der geplanten Form abweicht. Einer solchen ungewollten Deformation kann damit entgegengewirkt werden, dass während des 3D-Druckens, insbesondere von Stegen, also solchen Bereichen des Körpers, welche besonders dünnwandig sind, dadurch entgegengewirkt wird, dass die Wandstärke des zu druckenden Körpers in diesen Bereichen vergrößert wird. Eine andere Möglichkeit ist es versteifende Bereiche zusätzlich zu der gewünschten Form des zu druckenden Körpers gedruckt, dieser zusätzlich gedruckte Druckwerkstoff wird auch als Stützmaterial bezeichnet. Weiter ist es auch möglich, die zu druckende Form anzupassen, so dass keine ungeplanten Deformationen auftreten. Beide Alternativen führen zu keinem optimalen Ergebnis, in Form von Stützmaterial ist zusätzliche Zeit für den Druck notwendig sowie für die Entfernung dieses Stützmaterials nach der Fertigstellung des zu druckenden Körpers. Eine Anpassung der Form des zu druckenden Körpers kann zu einer nicht mehr optimalen Geometrie dieses Körpers führen.
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Aus den erläuterten Problemen des Standes der Technik ergibt sich die Aufgabe, eine 3D-Druckvorrichtung mit verbesserter Funktionalität anzugeben, diese Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß dem ersten Patentanspruch gelöst, beziehungsweise durch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.
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Unter einer 3D-Druckvorrichtung zum Ausführen eines 3D-Druckverfahrens bei welchen ein Druckmaterial aufgetragen wird, ist im Sinn der Erfindung eine Vorrichtung zum Erstellen eines Werkstücks oder allgemeiner eines Körpers zu verstehen. 3D-Druckverfahren sind im Allgemeinen bekannt, die hier vorgeschlagene Erfindung richtet sich insbesondere auf ein 3D-Druckverfahren, bei welchem Druckmaterial aufgetragen wird und so der zu druckende Körper entsteht, derartige 3D-Druckverfahren werden insbesondere als Materialextrusionsbeziehungsweise Materialauftragverfahren bezeichnet. Die vorgeschlagene 3D-Druchvorrichtung weist demzufolge eine Materialaufbringeinrichtung auf, welche zum Aufbringen des Druckmaterials für den zu druckenden Körper eingerichtet ist und so zum Erstellen eines solchen Körpers eingerichtet ist. Diese Materialaufbringeinrichtung weist insbesondere wenigstens eine Düse oder dergleichen zum Ausbringen des Druckmaterials auf, wobei diese auf das auszubringende Druckmaterial angepasst ist.
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Weiter ist eine Druckkörperaufnahme vorgesehen, welche eine Druckkörperaufnahmeebene zum Aufnehmen des zu druckenden Körpers aufweist. Vorzugsweise ist die Druckkörperaufnahme als Aufspanneinrichtung beziehungsweise Werkstückaufnahmeeinrichtung ausgebildet, auf welcher der zu druckende Körper während des 3D-Druckvorgangs aufgenommen wird. Weiter weist die Druckkörperaufnahme eine Stützeinrichtung auf. Insbesondere während des Druckens des zu druckenden Körpers kann es vorkommen, dass die Stabilität dieses Körpers vor dessen Fertigstellung so gering ist, dass es ohne weitere Maßnahmen zu ungewollten Verformungen kommen würde. Derartigen ungewollten Verformungen könnte mittels eines verstärkten Materialauftrags, insbesondere einer Erhöhung bestimmter Wandstärken an dem zu druckenden Körper, entgegengewirkt werden. Demgegenüber schlägt die Erfindung die Stützeinrichtung vor, welche ein Stützelement und einen Stützelementaktuator zum Bewegen des Stützelements in die Stützposition aufweist. Die Stützeinrichtung ermöglich so, insbesondere in Bereichen, in welchen der zu druckende Körper eine geringe Wandstärke aufweist, ein Abstützen dieses Körpers mit dem Stützelement, wobei dieses zu diesem Zweck mit dem Stützelementaktuator in die Stützposition bewegt ist. In dieser sogenannten Stützposition kontaktiert das Stützelement, zumindest zeitweise, den zu druckenden Körper. Anders gewendet ist die Stützeinrichtung dazu eingerichtet, dass das Stützelement mittels des Stützelementaktuators zwischen einer Ruheposition und einer Stützposition bewegbar ist. Insbesondere ist die Stützposition eine Position des Stützelements, welche von der Druckkörperaufnahme entfernt liegt und die Ruheposition des Stützelements liegt vorzugsweise in oder an der Druckkörperaufnahme.
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Die Stützposition ist insbesondere von der Geometrie des zu druckenden Körpers abhängig. Weiter ist das Stützelement mittels des Stützelementaktuators wenigstens abschnittsweise oder vollständig geradlinig und schiefwinkelig zu einer Orthogonalen auf die Druckkörperaufnahmeebene bewegbar. Bildlich gesprochen ist das Stützelement wenigstens abschnittsweise oder vollständig entlang einer schiefen Geraden gegenüber der Druckkörperaufnahmeebene bewegbar. Im Sinn der Erfindung ist unter dem schiefwinkeligen Bewegen des Stützelements zu verstehen, dass dieses nicht rechtwinkelig oder parallel zu der Druckkörperaufnahmeebene bewegt wird, sondern vorzugsweise unter einem von 90° und 180° abweichenden Winkel zur Druckkörperaufnahmeebene. Insbesondere durch ein solche „schiefe“ Bewegung des Stützelements an den zu druckenden Körper ist ein effektives Abstützen dieses Körpers ermöglicht und weiter ist eine ebene Druckkörperaufnahmeebene ohne Abstützelemente und ein Abstützen des zu druckenden Körpers oberhalb der Druckköperaufnahme ermöglicht.
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Weiter vorzugsweise ist die Materialauftrageinrichtung gegenüber der Druckkörperaufnahme bewegbar. Insbesondere bei einer solchen Kinematik wird der zu druckende Körper während dessen Herstellung in Ruhe gehalten und so ist eine besonders präzise Fertigung ermöglicht. Weiter ist die Druckkörperaufnahme bevorzugt gegenüber der Materialauftrageinrichtung bewegbar, insbesondere mittels einer solchen Kinematik ist eine einfache Druckmaterialzuführung an die Materialauftrageinrichtung ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die 3D-Druckvorrichtung mehrere Betriebszustände auf, wenigstens aber einen ersten Betriebszustand und einen zweiten Betriebszustand. Insbesondere in diesem ersten Betriebszustand wird Druckmaterial aus der Materialauftrageinrichtung zum Erstellen des zu druckenden Körpers auf diesen, wenigstens zeitweise, aufgetragen, wobei dieser erste Betriebszustand als, sogenanntes gestütztes Drucken, aufzufassen ist.
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Weiter ist dieser zweite Betriebszustand als sogenannter Ruhemodus aufzufassen und in diesem zweiten Betriebszustand wird dauerhaft kein Druckmaterial aus der Materialauftrageinrichtung ausgebracht. Weiter ist in diesem ersten Betriebszustand das Stützelement in die Stützposition bewegt und in diesem zweiten Betriebszustand ist das Stützelement in die Ruheposition bewegt. Weiter vorzugsweise ist das Stützelement in diesem ersten Betriebszustand in eine Position bewegt, in welcher dieses den zu druckenden Körper kontaktiert und verhindert weiter eine unplanmäßige Deformation des zu druckenden Körpers. Insbesondere durch eine solche Ausgestaltung der Erfindung ist einerseits eine einfache Entnahme des zu druckenden Körpers aus der 3D-Druckvorrichtung nach dessen Fertigstellung ermöglicht, wenn das Stützelement in seine Ruheposition bewegt ist (zweiter Betriebsmodus) und anderseits ist eine präzise Fertigung des zu druckenden Körpers ermöglicht, wenn das Stützelement in seiner Stützposition einer unplanmäßigen Deformation des zu druckenden Körpers bei dessen Herstellung entgegenwirkt.
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Weiter ist wenigstens ein weiter Betriebsmodus vorgesehen, in welchem Druckmaterial aus der Materialaufbringeinrichtung zum Erstellen des zu druckenden Körpers aufgetragen wird, das Stützelement den zu druckenden Körper aber nicht kontaktiert, sogenanntes freies Drucken.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der 3D-Druckvorrichtung weist diese mehrere dieser Stützeinrichtungen auf. Insbesondere mittels mehrere Stützeinrichtungen, wenigstens also zwei Stützeinrichtungen ist eine verbesserte Abstützung des zu druckenden Körpers ermöglicht.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der 3D-Druckvorrichtung ist wenigstens eine dieser Stützeinrichtung oder diese eine Stützeinrichtung frei im Raum, insbesondere bzgl. ihrer Neigung gegenüber der Druckkörperaufnahme, beweglich. Vorzugsweise ist eine derartige Stützeinrichtung in einem kugeligen oder kardanischen Gelenk gegenüber der Druckkörperaufnahme gelagert. Insbesondere mittels wenigstens einer solchen gelenkigen Stützeinrichtung können unterschiedliche Stützpositionen angesteuert werden und nicht nur solche, welche entlang der geradlinigen Verschieberichtung des Stützelements liegen.
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Weiter ist die Verwendung der vorgeschlagenen 3D-Druckvorrichtung mit einem Verfahren zum Herstellen eines zu druckenden Körpers vorgeschlagen, wobei dieses Verfahren Schritte aufweist:
- - Druckmaterial zum Erstellen des zu druckenden Körpers mit der Materialaufbringeinrichtung aufbringen, insbesondere um die dreidimensionale Form des zu druckenden Körpers zu bilden,
- - Überführen des Stützelements in die Stützposition, insbesondere um den zu druckenden Körper in seinem augenblicklichen Fertigungszustand abzustützen,
- - Kontaktieren des zu druckenden Körpers mit dem Stützelement und weiterhin Aufbringen von Druckmaterial aus der Materialauftrageinrichtung zum Erstellen des zu druckenden Körpers, insbesondere in einem „dünnwandigen“ Bereich des zu druckenden Körpers,
- - und schließlich, insbesondere nach dem eine Stabilisierung des zu druckenden Körpers durch einen weiteren Fortschritt bei der Fertigung dieses Körpers erreicht ist, Bewegen des Stützelements in die Ruheposition. Insbesondere mittels des vorgeschlagenen Verfahrens ist es ermöglicht, Körper mittels des 3D-Druckverfahrens zu erstellen, die bei herkömmlichen Druckverfahren nur mit einer Nacharbeit, insbesondere Materialabtrag, erreichbar wären.
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Nachfolgend sind einzelne Merkmale und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figur näher erläutert, dabei zeigt:
- 1: eine stark schematisierte Darstellung der vorgeschlagenen 3D-Druckvorrichtung,
- 2: eine dreidimensionale Darstellung eines exemplarischen zu druckenden Körper auf der Druckkörperaufnahmeebene.
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In 1 ist eine schematisierte 3D-Druckvorrichtung zum Ausführen eines 3D-Druckverfahrens dargestellt. Bei der dargestellten 3D-Druckvorrichtung wird ein zu druckender Körper 1 hergestellt beziehungsweise erstellt. Die Fertigung ist in einem Stadium dargestellt, in welchem der zu druckende Körper 1 noch nicht fertiggestellt ist und noch Druckmaterial aufgetragen wird. Dieses Druckmaterial wird von der Materialaufbringeinrichtung 2 auf den zu druckenden Körper 1 aufgetragen. Weiter ist eine als Ausspannplatte 7 ausgeführte Druckkörperaufnahme vorgesehen, welche eine Druckkörperaufnahmeebene 8 zum Aufnehmen des zu druckenden Körpers 1 aufweist. Die Druckkörperaufnahme weist eine Stützeinrichtung 4 auf, welche ein Stützelement 3 und einen Stützelementaktuator 5 aufweist. Der Stützelementaktuator 5 ist kardanisch gelagert und so exemplarisch in Verstellrichtung 10 an unterschiedliche Druckaufgaben anzupassen. Weiter ist auch eine starre Anbindung des Stützelementaktuators 5, hier nicht gezeigt, möglich.
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Das Stützelement 3, welches den zu druckenden Körper 1 abstützt ist mittels des Stützelementaktuators 4 zwischen einer Ruheposition und einer Stützposition, in welcher dieses dargestellt ist, bewegbar ist. Das Stützelement 3 ist mittels des Stützelementaktuators 5 geradlinig in Abstützrichtung 9 und damit schiefwinkelig zu der Orthogonalen 6 auf die Druckkörperaufnahmeebene 8 bewegbar.
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Die 3D-Druckvorrichtung ist im Betriebszustand des sogenannten gestützten Druckens dargestellt, in welchem das Stützelement 3 in die Stützposition bewegt ist und aus der Materialaufbringeinrichtung 2 Druckmaterial auf den zu druckenden Körper 1 aufgetragen wird und so wird der zu druckenden Körper 1 erstellt.
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In der schematisierten Darstellung der 1 ist eine 3D-Druckvorrichtung mit nur einer Stützeinrichtung dargestellt, es wird aber darauf hingewiesen, dass auch mehrere solche Stützeinrichtungen vorgesehen sein können.
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Die in 1 dargestellte 3D-Druckvorrichtung wird nach einem Verfahren betrieben, bei welchem:
- - Druckmaterial zum Erstellen des zu druckenden Körpers 1 mit der Materialaufbringeinrichtung 2 aufgetragen wird,
- - Soweit es der zu druckende Körper 1, beziehungsweise dessen Herstellung erfordert wird das Stützelement 3 mittels des Stützelementaktuators 5 in die Stützposition gefahren,
- - dass dieses den zu druckenden Körper 1 kontaktiert und es wird weiter Druckmaterial aus der Materialaufbringeinrichtung 2 zum Erstellen des zu druckenden Körpers aufgetragen. Soweit der Druck des zu druckenden Körpers weiter fortgeschritten ist, so dass eine Abstützung dieses Körpers durch das Stützelement nicht mehr benötigt, wird beziehungsweise dessen Druckvorgang abgeschlossen ist, wird das Stützelement 3 in die Ruheposition bewegt. Der zu druckende Körper 1 wird dabei durch einen Materialauftrag in Druckrichtung 11 erstellt und „wächst“ so in Druckrichtung ausgehend von der Druckkörperaufnahmeebene 8.
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Mit anderen Worten ausgedrückt besteht ein technischer Bedarf darin, dass bei generativen Fertigungsverfahren, wie dem 3D-Druck, Abfallmaterial entstehen kann und ein zusätzlicher Arbeitsschritt notwendig sein kann, soweit ein zu druckender Körper mit dünnwandigen Abschnitten gedruckt wird, wobei an diesen dünnwandigen Abschnitten sogenanntes Stützmaterial durch das 3D Druckverfahren zunächst aufgetragen und danach wieder entfernt wird. Weiter kann es vorteilhaft sein, dass Stützwinkel konstruiert und im 3D-Druckverfahren zur Anwendung gebracht werden.
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Die Erfindung schlägt als eine Lösung zu Vermeidung solchen Stützmaterials wenigstens eine Stützeinrichtung mit einem Stützelementaktuator und einem Stützelement, sogenannter „Supporttisch“, vor, wobei ein solcher Supporttisch insbesondere pneumatisch mit vorzugsweise mechanischer Endlage zugestellt werden kann. Der Supporttisch wird im benötigen Zeitraum an die benötigte Stelle des zu druckenden Körpers bewegt und an dieser gehalten. Nach der Fertigstellung des Drucks, also entweder nach dem der zu druckende Körper fertiggestellt ist oder nach dem ein Abstützten des zu druckenden Körpers nicht mehr notwendig ist, wird der Supporttisch wieder in seine Ausgangslage gebracht und kann beim nächsten zu druckenden Körper wieder zugestellt, also zur Abstützung des zu druckenden Körpers herangezogen werden. Insbesondere mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung kann ein dünnwandiger Abschnitt des zu druckenden Körpers beziehungsweise ein Steg ohne Supportmaterial gedruckt werden.
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Wie insbesondere in 2 erkennbar ist, wird das Stützelement 3, welches als ein Element der Druckkörperaufnahme über einen als Pneumatikzylinder ausgebildete Stützelementaktuator diagonal und damit schiefwinkelig zu dem zu druckenden Körper 1 zugestellt. Das geschieht kurz bevor der Druckjob an die Stelle gelangt, an der der dünnwandige Bereich, vorliegend der Steg 12, gedruckt werden soll. So läuft der Druck ohne Unterbrechung weiter und der Steg 12 kann supportfrei dargestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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