DE19815005C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Auftragen von Materialbahnen zum Aufbau von Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auftragen von flüs­ sigem oder pastenartigem, aushärtendem Material in Bahnen, zum schichtweisen Aufbau von dreidimensionalen Bauteilen auf einem Träger mittels einer Düse mit den Merkmalen der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 14 beschrie­ benen Gattungen.

Den raschen Aufbau von Prototypen führt man aus Gründen der Zeit- und Ko­ stenersparnis mit einer Vorrichtung und einem Verfahren zum Auftragen von Ma­ terialbahnen aus Düsen durch, um die unkomplizierte Fertigung komplizierter Werkstücke als Prototyp zu ermöglichen. Sie entstehen damit direkt mit Hilfe von CAD-Daten mit nichtspanenden Herstellungsverfahren ohne werkstückspezifische Werkzeuge und Bearbeitungsprogramme. Häufig angewandt wird das Stereoli­ thographieverfahren, das auf dem lokalen Aushärten von Polymeren unter Einwir­ kung von Licht basiert. Die Stereolithographie ermöglicht die Herstellung von räumlichen Modellen von Werkstücken, die zuvor in der Regel mittels CAD auf Computern konstruiert wurden. Ein weiteres Verfahren der Herstellung derartiger dreidimensionaler Prototypen bildet das "Fused Deposition Modelling", das das dreidimensionale Auftragen eines geschmolzenen thermoplastischen Baustoffs durch eine dünne Düse zum Inhalt hat. Diese Düse wird in der Regel von einem Plottermechanismus geführt, der das Werkstück nach dem Auslegen einer Schicht per Hubschritt schrittweise absenkt, um die nächste Schicht aufbringen zu können. In anderen Verfahren wird ein Kunststoffpulver zum Aufbau der einzelnen Schich­ ten mittels einer Walze aufgebracht. Es wird bis kurz vor den Schmelzpunkt auf­ geheizt und anschließend mit einem Laser hoher Leistung belichtet, so daß die einzelnen Pulverkörner mit den benachbarten Körnern verschmelzen. Durch das übereinander Anbringen mehrerer Schichten bildet sich ein dreidimensionaler Formkörper.

Bei den aus dem Stand der Technik vorbekannten Vorrichtungen und Verfahren werden zum Ausbringen der Materialbahnen Düsen mit kreisförmigen Düsen­ austrittsquerschnitt verwendet. Ein kreisförmiger Düsenaustrittsquerschnitt erzeugt eine Materialbahn konstanter Breite, so daß die Materialbahnen mehrfach parallel nebeneinander gelegt werden, um die gesamte Schichtbreite auszufüllen. Sehr häufig jedoch entspricht die Breite der Schicht nicht einem Vielfachen der Breite der von der Düse verlegten Materialbahnen, so daß die Schichtbreite nicht voll­ ständig mit Materialbahnen ausgefüllt werden kann. Die Breite einer Schicht des zu formenden Werkstückes schwankt in der Regel auch ständig, so daß es durch das Nichtausfüllen der gerade erforderlichen Schichtbreite zu einer Minderung der Bauqualität des Prototyps kommt. Für die ständig wechselnden Breiten der ver­ schiedenen Schichten eines Werkstückes können auch nicht ständig die Düsen des Düsensystems der Vorrichtung gewechselt werden, da allein durch die Umrüstung und darüber hinaus durch die dann wieder zu ändernde Verfahrstrategie infolge der unterschiedlichen Breiten der Materialbahnen durch eine andere Düse ein er­ heblicher zeitlicher und finanzieller Mehraufwand entstehen würde.

Um den ständig wechselnden Anforderungen einer wechselnden Schichtbreite entsprechen zu können, ist die Verlegung von unterschiedlich breiten Bahnen in einer Schicht erforderlich. Auf dem Gebiet der Extrusionsvorrichtungen ist aus der DE 41 19 653 A1 eine Extrusionsvorrichtung vorbekannt, bei der dem Extruder eine Ausförder- und Formvorrichtung vorgeschaltet ist, die einen sich verengenden Ausförderkanal aufweist, dessen Querschnitt breiter als hoch ausgeführt ist. Dabei sind oberhalb und unterhalb der Austrittsöffnung des Ausförderkanals den Kanal begrenzende Düsenlippen vorgesehen, die die Austrittsdüse der Vorrichtung bil­ den. Die Düsenlippen sind in Form von quaderförmigen Ansätzen ortsfest an einen die Verbindung zwischen dem Extruder und einem Ständer, in dem sich der Aus­ trittskanal fortsetzt, bildenden Adapterblock angeordnet. Die Düsenlippen sind so angeordnet, daß die Schlitzhöhe des im Ständer vorhandenen Düsenschlitzes in Abhängigkeit von der Materialart und der Materialmenge veränderbar ausgeführt ist. Diese Verschiebung der Düsenlippen zur Änderung des Düsenquerschnittes bzw. Düsenschlitzes beinhaltet jedoch erhebliche Abdichtungsprobleme für das aus dem Düsenschlitz tretende Material. Die Verschiebung der Düsenlippen gemäß der Konstruktion des Gegenstandes aus der DE 41 19 653 A1 ist mit erheblichem Raumbedarf ausgeführt und konstruktiv aufwendig mit entsprechenden Dichtlip­ pen konstruiert, so daß keine feinen Strukturen mit dieser Düse gebaut werden können, wie sie bei den Materialbahnen im schichtweisen Aufbau von Bauteilen erforderlich ist.

Aus der US 55 29 471 ist eine Vorrichtung zum Auftragen von flüssigem oder pastenartigen Material in Bahnen vorbekannt. Das verwendete Material ist aus­ härtbar und ermöglicht damit den dreidimensionalen Aufbau von Bauteilen. Die Schichten werden mittels einer Düse abgeschieden, die senkrecht und beabstandet zu einem Träger angeordnet ist, wobei die Form der Düsenaustrittsöffnung und die Querschnittsfläche der Düsenaustrittsöffnung während des Legens von Bahnen konstant ist. Es sind zwei Düsen vorgesehen, wobei die erste Düse zum Bau einer Begrenzungswand eines Bauteils vorgesehen ist. Die erste Düse ist mit zwei Kellen versehen, wobei die eine Kelle horizontal direkt unter der Düse angeordnet ist und zur Ausformung des oberen Randes der Begrenzungswand dient. Gleichzeitig ist eine zweite Kelle an der Düse angeordnet, die mit der ersten Kelle mittels eines Gelenks verbunden ist. Die zweite seitliche Kelle dient zur Ausformung eines glat­ ten Seitenrandes der Begrenzungswand des in Schichten erstellten Bauteils. Beide Kellen sind jeweils als ebene Flächen ausgebildet. Die erste Düse zum Auftragen der pastenartigen Materialien wie thermoplastisches Material und dergleichen ist über einen Zylinder mit dem Extruder zur Beschickung der Düse mit dem elasti­ schen Material verbunden. Die Düse und der Zylinder sind über einen Motor verdrehbar ausgeführt, um die horizontale erste Kelle und die seitlich angeordnete zweite Kelle über Kanten der schichtweise aufzubauenden Begrenzungswand be­ fördern zu können. Die seitliche Kelle ist über ein Parallelogrammgestänge gegen­ über der horizontal angeordneten ersten Kelle drehbeweglich in ihrer Lage verän­ derbar, um auf diese Weise verschiedene Winkel der seitlichen Begrenzungsflä­ chen der aufzubauenden Wand des Bauteils zu ermöglichen. Die vorgesehene zweite Düse bei der Vorrichtung gemäß der US 55 29 471 ist zur Befüllung der schichtweise entstehenden Hohlräume beim Aufbau der Begrenzungswälle des Bauteils mittels einer Flüssigkeit vorgesehen. Sowohl die erste Düse zur Ausfor­ mung der Begrenzungswände wie auch die zweite Düse zum Befüllen mit Flüssig­ keit werden jeweils über eine Steuerung zum örtlichen Legen der Bahnen für das entstehende Bauteil geführt, wobei der Steuerung entsprechende Daten zum Auf­ bau der Gestalt des Bauteils eingegeben worden sind. Die erste und die zweite Düse gemäß der US 55 29 471 können nur gleichmäßig breite Materialbahnen auftragen. Bei dem Aufbau von größeren Flächenbreiten läßt sich beim Legen der Bahnen deshalb eine nur teilweise Auffüllung von Schichtbreiten nicht vermeiden. Die Schichten sind daher nicht gleichmäßig hoch und es wird damit die Qualität des Bauteils verringert.

Gegenstand der AT 375 028 ist eine Spritzdüse zum Auftragen von Dich­ tungsmasse auf einen Tür- oder Fensterfalz mit einem zylindrischen vorzugsweise kegelförmigen Düsenkörper mit einer Düsenöffnung, dabei sind am Rand der Dü­ senöffnung zwei einanander gegenüberliegend angeordnete Begrenzungsvor­ sprünge angeordnet, die in Ausfließrichtung der Dichtungsmasse über die Düsen­ öffnung vorstehen. Die Düsenöffnung hat dabei die Form eines Tropfenquerschnit­ tes oder sie ist annähernd oval gestattet. Die Begrenzungsvorsprünge sind an den beiden Enden der Düsenöffnung angeordnet. Die Düse gemäß AT 375 028 wird dabei mit dem einen Begrenzungsvorsprung an der Außenkante des Falzes ge­ führt, auf den die Dichtung aufgetragen wird. Während der andere Begrenzungs­ vorsprung direkt auf dem Falz aufliegt der mit der Dichtungsmasse belegt wird. Die Führung der Düsenöffnung mit Hilfe der Begrenzungsvorsprünge erfolgt ent­ lang der Form und Gestalt des Falzes ohne Verdrehen der Düsenaustrittsöffnung. Auf einen derartigen Gegenstand ist die vorliegende Erfindung nicht gerichtet.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache, preiswerte und mit geringem technischen Aufwand herzustellende Vorrichtung und ein entspre­ chendes Verfahren zum Auftragen von flüssigen oder pastenartigen, aushärtbaren Materialiensträngen zum Aufbau von dreidimensionalen Bauteilen zu schaffen, die ein nur teilweises Ausfüllen von Schichtbreiten der zu erstellenden Bauteile und damit eine Verringerung der Bauteilqualität vermeidet, die insbesondere ohne Wechsel der Düsen und ohne Änderung der Größe und der Form der Düsenaus­ trittsöffnung eine Abscheidung unterschiedlich breit ausgeführter Materialstränge erlaubt, die ferner eine Beschleunigung des Schichtaufbaus der Bauteile zuläßt und deren abgelegte Materialstränge bei Bedarf stets eine konstante Höhe bzw. Mate­ rialstrangdicke aufweisen. Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. das Verfahren gemäß Anspruch 14.

Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, daß die Form der Düsen­ austrittsöffnung der Düse derart ausgeführt ist, daß eine der beiden senkrecht zu­ einander stehenden Symmetrieachsen der Düsenaustrittsöffnung länger ausge­ führt ist als die andere Symmetrieachse, die damit kürzer als die erste Symmetrie­ achse ausgeführt ist. Konkret heißt dies, wenn man der Düsenaustrittsöffnung die Form einer Ellipse gibt, daß der Hauptachsendurchmesser der Ellipse länger als der Nebenachsendurchmesser der Ellipse ausgebildet ist. Bei einer derartigen Ausfüh­ rung der Form der Düsenaustrittsöffnung mit einer langen und einer kurzen Sym­ metrieachse ermöglicht es nun eine Verdreheinrichtung, die an der Düsenaustritts­ öffnung oder dem Düsensystem angreift, die räumliche Ausrichtung und Lage der Düsenaustrittsöffnung in der x-y-Ebene im Bezug auf die Verfahrrichtung der Düse während des Legens der Materialstränge zu Schichten zu verdrehen, das heißt, es wird beim Verdrehen die Symmetrieachsenlage der langen Symmetrieachse und der kurzen Symmetrieachse gegenüber der in der x-y-Ebene liegenden Plattform zum Aufbau des Bauteils mit seinen Flächen und Wänden verdreht. Auf Grund der speziellen Form der Düsenaustrittsöffnung gemäß der Erfindung verändert sich beim Verdrehen der Düsenaustrittsöffnung die Breite der abgelegten Material­ stränge, es ist nun möglich, größere Schichtbreiten von Bauteilen durch paralleles Legen von mehreren Materialsträngen gleicher oder auch unterschiedlicher Breite soweit aufzufüllen, bis nur noch eine Restbreite an der Schichtbreite noch nicht ausgefüllt ist. Durch Verdrehen der erfindungsgemäßen Düsenaustrittsöffnung läßt sich dann diese Restbreite der gesamten Schichtbreite durch eine entspre­ chend angepaßte Breite des zuletzt gelegten Materialstranges vollständig auslegen und ausfüllen. Damit wird also vermieden, daß die Schichtbreiten nur teilweise ausgelegt sind und damit eine ungleichmäßige Höhe der Schicht entsteht sowie die daraus resultierenden Konsequenzen einer Verringerung der Bauteilqualität vermieden werden können. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung und des dazugehörigen Verfahrens ist es, daß eine Beschleunigung des Schichtaufbaus mehrerer Schichten bei der Bildung von dreidimensionalen Bautei­ len erreicht wird, daß die Düse nicht gewechselt werden muß, um verschieden breite Materialstränge zu legen und auf diese Weise eine schnellere Füllung der Schichten erreicht wird. Die Form der Düsenaustrittsöffnung kann dabei nicht nur als Ellipse ausgebildet sein, sondern auch als Rechteck mit unterschiedlicher Länge der Seitenkanten, als Raute, oder als Parallelogramm mit ungleich langen Seiten­ kanten. Durch all die vorstehend genannten Düsenformen wird ebenfalls erreicht, daß durch Verdrehen der Düse während des Legens der Materialstränge unter­ schiedlich breite Materialstränge erzeugt werden.

Das Verdrehen der Düsenaustrittsöffnung bzw. der Düse wird mittels einer Ver­ dreheinrichtung durchgeführt, die entweder nur direkt an der Düsenaustrittsöff­ nung angreifen kann oder derart angebracht ist, daß das gesamte Düsensystem verdreht wird, wobei das Düsensystem mit der Zuführung des Materials und der­ gleichen ausgeführt ist. Das Verdrehen der Düsenaustrittsöffnung erfolgt derart, daß es sich stets um eine definierte Winkelverstellung zum Beispiel mittels eines Schrittmotors handelt, so daß genau festgelegt ist, welche Breite der aus der Dü­ senaustrittsöffnung austretende Materialstrang für das aufzubauende dreidimensi­ onale Bauteil hat, was bei der Auslegung der Verfahrstrategie der Düse für den Aufbau des Bauteils von großem Vorteil ist. Das aufzubauende Bauteil ist auf einer Plattform angeordnet und mit Hilfe einer Gesamtsteuerung wird das Legen mehre­ rer Materialstränge in einer ersten Schicht auf der Plattform parallel nebeneinander ausgeführt. Das Legen weiterer Materialstränge in der zweiten und allen weiteren darüberliegenden Schichten wird jeweils ebenfalls parallel zueinander, jedoch kreuzweise zu der Lage der Materialstränge in der jeweils vorhergehenden Schicht durchgeführt, wodurch erreicht wird, daß die aus mehreren übereinander liegen­ den Schichten bestehenden Bauteile besonders stabil und widerstandsfähig wer­ den.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Träger für die Ablage der in Schichten aufgebauten Bauteile einmal starr angeordnet sein kann, während die Düse mittels eines Programms der Gesamtsteuerung geregelt über dem Träger verfahren wird. Es kann jedoch auch die umgekehrte Anordnung ausgeführt wer­ den, nämlich daß die Düse zum Auftragen der Materialstränge der in Schichten aufgebauten Bauteile starr angeordnet ist, während der Träger durch ein Pro­ gramm der Gesamtsteuerung geregelt unter der Düse entsprechend verfahren wird. Bei Bildung der Schichten für das dreidimensionale Bauteil wird der Träger für die Materialstränge oder das Düsensystem mit der Düse senkrecht in z- Richtung zur x-y-Ebene in der die Plattform liegt, verfahrbar ausgeführt. Um ein Aushärten der verwendeten Materialstränge zu erreichen, wird der Träger selbst und/oder die Umgebung der Plattform und/oder der Innenraum eines Behälters, in dem der Träger angeordnet ist, angepaßt an das von der Düse abgeschiedene Ma­ terial entsprechend temperiert beheizt.

Wird die Düse bzw. die Düsenaustrittsöffnung geführt von der Gesamtsteuerung über die in der x-y-Ebene liegende Plattform geführt und dabei die Düsenaustritts­ öffnung verdreht, so daß sich unterschiedlich breite Materialstränge ergeben, so kann es bei dem Aufbau bestimmter Wände von Bauteilen von Vorteil sein, daß die Höhe bzw. Strangdicke des einzelnen Materialstrangs bei einem schmäler wer­ denden Materialstrang durch Drehen der Düse höher bzw. die Dicke des Strangs größer ausfällt als bei unverdrehter Düse, die die maximale Breite des mit dieser Düse erzielbaren Materialstrangs abscheidet. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es jedoch, die abgelegten Materialstränge auch mit einer konstanten Höhe bzw. konstanten Strangdicke auszuscheiden, wenn die Strangbreite durch Verdrehen der Düsenaustrittsöffnung schmäler wird. Dies geschieht dadurch, daß während des Legens von Materialsträngen die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Düse oder der Plattform für die Materialstränge und/oder die Durchsatzmenge in der Düse mittels der Gesamtsteuervorrichtung derart geregelt wird, daß eine Erhö­ hung oder eine Erniedrigung der Fortbewegungsgeschwindigkeit der Düse oder der Plattform für die Materialstränge und/oder der Durchsatzmenge der Düse in Abhängigkeit von der Winkelstellung der langen und kurzen Symmetrieachsen der Düsenaustrittsöffnung zu der Verfahrrichtung der Düse erfolgt.

Die Regelung der Höhe bzw. der Strangdicke der abgeschiedenen Materialstränge während des Verdrehens der Düsenaustrittsöffnung durch die Verdrehvorrichtung geschieht in der nachfolgend geschilderten Weise. Die Steuerung wird dazu derart durchgeführt, daß die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Düse oder der Plattform für die Materialstränge und/oder der Durchsatzmenge in der Düse während des Verdrehens ausgehend vom Zustand beim Zusammenfallen der kurzen Symmetrie­ achse der Düse mit der Fortbewegungsrichtung der Düse oder der Plattform für die Materialstränge gegenüber der Fortbewegungsgeschwindigkeit und/oder der Durchsatzmenge beim Zusammenfallen der langen Symmetrieachse der Düse mit der Fortbewegungsrichtung der Düse oder der Plattform für die Materialstränge verringert wird. Das heißt konkret, daß bei dem Verdrehen von dem Zustand des Zusammenfallens der kurzen Symmetrieachse der Düse mit der Fortbewegungs­ richtung der Düse zu dem Zustand des Zusammenfallens der langen Symmetrie­ achse der Düse mit der Fortbewegungsrichtung der Düse der Materialvorschub verringert wird oder statt dessen die Geschwindigkeit, mit der die Düse bzw. der Träger verfahren wird, verringert wird. Durch diese Verringerung der Fortbewe­ gungsgeschwindigkeit oder der Materialfördergeschwindigkeit wird der Nach­ schub an Material verringert und damit die gleiche Höhe bzw. Strangdicke erzielt wie bei der Abscheidung des Materials mit maximaler Breite. Diese Regelung funk­ tioniert auch in umgekehrter Richtung, nämlich wenn während des Rückdrehens der Düse vom Zustand des Zusammenfallens der langen Symmetrieachse bis zum Zusammenfallen der kurzen Symmetrieachse mit der Fortbewegungsrichtung der Düse oder der Fortbewegungsrichtung des Trägers die Fortbewegungsgeschwin­ digkeit der Düse oder des Trägers und/oder Durchsatzmenge dann erhöht wird/werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Das Maschinen- und Werkstück-Koordinatensystem auf der x-y-Ebene und der senkrecht dazu stehenden z-Achse,

Fig. 3 eine mit Materialsträngen zu belegende Schicht, die nur teilweise mit Mate­ rialsträngen belegt ist,

Fig. 4 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Düsenaustrittsöffnung beim Ver­ legen eines Materialstranges mit maximaler Strangbreite und

Fig. 5 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Düsenaustrittsöffnung nach Fig. 4 mit verdrehter Düsenaustrittsöffnung in der x-y-Ebene

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auftragen von flüs­ sigem oder pastenartigem Material in Bahnen zum schichtweisen Aufbau von dreidimensionalen Bauteilen auf einem Träger mittels einer Düse. In Fig. 1 ist das Maschinen- und Werkstück-Koordinatensystem für die erfindungsgemäße Vorrich­ tung definiert, das aus einer x-y-Ebene und einer senkrecht dazu stehenden z- Achse besteht. Eine nicht dargestellte Düse ist über einem in einer x-y-Ebene lie­ genden Träger angeordnet, wobei der Träger ebenfalls nicht in den Figuren darge­ stellt ist. Die nicht dargestellte Düse verfügt über eine Düsenaustrittsöffnung 1, die nach dem Stand der Technik in Fig. 2 in ihrer Form mit einem rotationssymmetri­ schen Querschnitt 2 ausgebildet ist. Dieser rotationssymmetrische Querschnitt 2 hat eine konstante Querschnittsfläche, über die während des Verfahrens in Ver­ fahrrichtung 5 eine Bahn 3 aus Material ausgeschieden wird, wobei die Bahn 3 stets mit einer konstanten Breite 4 aus der Düse ausgeschieden wird. Die Düse bzw. die Düsenaustrittsöffnung 1 ist dabei senkrecht zur x-y-Ebene bzw. der in dieser Ebene liegenden Plattform ausgerichtet, wobei die Düsenaustrittsöffnung stets in Abstand zu der hier nicht dargestellten Plattform in Verfahrrichtung 5 der Düse verfahren wird.

In Fig. 3 sind zwei Bahnen 3 in Verfahrrichtung 5 parallel nebeneinander auf einer Schicht 8 mit der Schichtbreite 7 verlegt. Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, ergeben die beiden nebeneinander gelegenen Bahnbreiten 4 der Bahn 3 eine Breite der parallelen Bahnen 6, die jedoch die Bahnbreite 7 der Schicht 8 nicht ausfüllt, so daß ein ungefüllter Bereich bzw. Fläche 9 bei der mit Bahnen 3 zu belegenden Fläche der Schicht 8 verbleibt. Der ungefüllte Bereich 9 konnte nach dem Stand der Technik entweder nicht gefüllt werden oder durch eine dritte Bahn 3 mit Überlappung und damit Doppelbelegung mit der zweiten Bahn 3 ausgefüllt wer­ den, was sowohl die Maßhaltigkeit wie auch die Qualität der so schichtweise auf­ gebauten Bauteile stark beeinträchtigt hat. Es wird ausdrücklich darauf hingewie­ sen, daß die Darstellung einer Schicht 8 in Form eines Rechtecks nur aus Vereinfa­ chungsgründen gewählt worden ist, da in der Regel die Schichten eines dreidi­ mensional aufbauenden Werkstücks nicht die Form eines Rechteckklotzes haben, es sind vielmehr auf jeder Schichtebene meist mehrere Verbreiterungen und Ver­ engungen der Schicht mit Materialsträngen auszulegen.

Um die Unzulänglichkeiten bei der Auslegung von mehreren übereinander ange­ ordneten Schichten 8 durch nicht komplett mit Materialsträngen ausgelegte Schichten zu vermeiden, wurde die erfindungsgemäße Düse bzw. genauer die Form der Düsenaustrittsöffnung der erfindungsgemäßen Düse derart ausgeführt, daß eine der beiden senkrecht zueinander stehenden Symmetrieachsen der Dü­ senaustrittsöffnung länger als die andere Symmetrieachse ausgebildet ist. Das heißt, daß die erfindungsgemäße Düsenaustrittsöffnung 10 über eine lange Sym­ metrieachse 11 und eine kurze Symmetrieachse 12 verfügt, die jeweils aufeinander senkrecht stehen, siehe dazu Fig. 4. Es wird darauf verwiesen, daß die erfindungs­ gemäße Düse selbst nicht sondern nur ihre Düsenaustrittsöffnung 10 dargestellt ist. Die erfindungsgemäße Düse ist mit einem Zuführungskanal für das als Materi­ alstrang abzuscheidende Material verbunden, wobei das Material in der Regel durch Erwärmung in einen flüssigen oder pastenartigen Zustand versetzt wird. Die Düse selbst und der Zuführungskanal für das Material sowie die Heizeinrichtung und beispielsweise ein Manipulator zur örtlichen Führung der Düsenaustrittsöff­ nung über einer Plattform sind aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht dargestellt. Das Düsensystem mit der Düse wird beispielsweise in dem in Fig. 1 dargestellten Koordinatensystem mittels einer Gesamtsteuerung örtlich verfahren, wobei diese Gesamtsteuerung ebenfalls nicht dargestellt ist.

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Düsenaustritts­ öffnung 10 ist dort als Ellipse geformt. Es sind jedoch auch weitere Düsenaustritts­ öffnungen mit einer langen und einer kurzen Symmetrieachse möglich, beispiels­ weise in Form eines Rechtecks mit unterschiedlicher Länge für jeweils parallel sich gegenüberliegende Seitenkanten, darüber hinaus kann die Düsenaustrittsöffnung als Raute mit einer langen und einer kurzen Symmetrieachse und schließlich auch als Parallelogramm mit ungleich langen Seitenkanten ausgeführt sein, bei dem sich ebenfalls eine lange und eine kurze Symmetrieachse ergibt. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Düsenaustrittsöffnung der Düse jede andere Form anneh­ men, die eine lange Symmetrieachse in der einen und eine senkrecht dazu stehen­ de kurze Symmetrieachse für die andere Richtung ergibt, Voraussetzung ist nur, daß die Querschnittsfläche und die Form der Düsenaustrittsöffnung während des Legens der Materialstränge konstant sind. An der Düsenaustrittsöffnung 10 oder wahlweise an der Düse als Bestandteil des gesamten Düsensystems ist eine Ver­ dreheinrichtung angeordnet, die entweder nur die Düsenaustrittsöffnung 10 oder das gesamte Düsensystem verdrehen kann. Die Verdrehung der Düsenaustrittsöff­ nung bzw. des gesamten Düsensystems erfolgt mit der Verdreheinrichtung, die hier nicht dargestellt ist, stets um eine definierte Winkelverstellung beispielsweise mittels einem Schrittmotor oder jedem anderen Fortbewegungsmittel, das eine definierte Winkelverstellung ermöglicht. Die erfindungsgemäße Düsenaustrittsöff­ nung 10 wird mittels eines hier nicht dargestellten Manipulators in einer parallelen x-y-Ebene bewegt, die im Abstand zu der x-y-Ebene liegt, in der die hier nicht dar­ gestellte Plattform sich befindet, auf der ein Materialstrang 13 beim Verfahren der Düsenaustrittsöffnung 10 in Verfahrrichtung 5 der Düse abgeschieden wird. Bei der Ausbildung der Düsenaustrittsöffnung 10 als Ellipse und der Lage der Düsen­ austrittsöffnung gemäß Fig. 4, steht die lange Symmetrieachse 11 senkrecht zu der Verfahrrichtung 5 der Düsenaustrittsöffnung, was bedeutet, daß die Breite 14 des Materialstranges 13 hier ihre maximale Breite beim Auftragen des Materialstrangs erreicht hat.

Ist nun beispielsweise eine Schicht 8 in der Schichtbreite 7 mittels der erfindungs­ gemäßen elliptischen Düsenaustrittsöffnung 10 mit Materialsträngen auszulegen, so wird nach dem Verlegen zweier paralleler Stränge 13 der verbleibende ungefüll­ te Bereich 9 der Schicht 8 nun ebenfalls mit der erfindungsgemäßen Düsen­ austrittsöffnung 10 mit einem Materialstrang belegt. Dies geschieht dadurch, daß die räumliche Ausrichtung und die Lage der Düsenaustrittsöffnung 10 in der x-y- Ebene im Bezug auf die Verfahrrichtung 5 der Düse während des Legens der Ma­ terialstränge 13 zu Schichten durch Verdrehen der Düsenaustrittsöffnung 10, das heißt durch Verdrehen von deren Symmetrieachsenlage verändert wird. Konkret bedeutet das, wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, daß die lange Symmetrieachse 11 in der x-y-Ebene in Richtung der Verfahrrichtung 5 der Düse verdreht wird, wobei sich die kurze Symmetrieachse entsprechend dazu mit verdreht. Aus der Fig. 5 ist deutlich ersichtlich, daß nunmehr durch Verdrehen der elliptischen Form der erfin­ dungsgemäßen Düsenaustrittsöffnung 10 die Breite 15 des Materialstranges 13 kleiner wird gegenüber der Breite 14 nach Fig. 4, wenn die erfindungsgemäße Dü­ senaustrittsöffnung 10 noch mit ihrer langen Symmetrieachse 11 senkrecht zur Verfahrrichtung 5 ausgerichtet ist. Deshalb ist es möglich, den ungefüllten Bereich 9 der Schicht 8, der in seiner Breite wiederum kleiner ist als die Breite 14 des Mate­ rialstrangs 13 allein durch Verdrehen der Düsenaustrittsöffnung komplett mit ei­ nem Materialstrang auszufüllen. Je nach den Erfordernissen des Anwendungsfalls in der Praxis ist es deshalb bei geeigneter Wahl des Längenverhältnisses der langen Symmetrieachse zur kurzen Symmetrieachse und einer entsprechend ausgebilde­ ten Form der Düsenaustrittsöffnung 10 jederzeit möglich, ständig wechselnde Schichtbreiten 7 einer Schicht 8 vollkommen gleichmäßig mit Materialsträngen 13 zu belegen, ohne daß es ungefüllte Bereiche 9 bei der Schichtbreite oder doppelt belegte Bereiche der Schichtbreite 7 gibt. Die Steuerung des Düsensystems bzw. der Düse mit der Düsenaustrittsöffnung 10 in Verfahrrichtung wie auch die Ver­ drehung um definierte Winkelstellungen der erfindungsgemäßen Düsenaustritts­ öffnung 10 erfolgt mit Hilfe der Gesamtsteuerung, die nach einem eingegebenen Verfahrplan für die jeweils übereinander abzulegenden Schichten 8 für das in drei­ dimensionaler Form zu erstellende Werkstück arbeitet. Eine optimale Füllung der Schichten 8 mit unterschiedlichen Strangbreiten kann mit der Gesamtsteuerung vor Beginn des Bauprozesses mit Hilfe einer Prozeßbahnplanung errechnet werden. Der Träger, auf dem die Materialstränge 13 zu Schichten abgelegt werden, wird dabei nach Beendigung des Abscheidens einer Schicht 8 mit Hilfe eines hier nicht dargestellten Antriebs um die jeweilige Höhe bzw. Schichtdicke der Stränge 13 in z-Richtung nach unten verfahren. Der Träger kann dabei kippbar ausgeführt sein, so daß das Auftragen von Materialsträngen 13 stets in einer horizontalen Ebene auf der Plattform bzw. dem aufzubauenden Werkstück erfolgt.

Das Auslegen von Schichten mit mehreren parallelen Materialsträngen 13 mit Hilfe der Gesamtsteuerung erfolgt in einer ersten Schicht derart, daß nach dem Legen der ersten Schicht mit mehreren parallelen Materialsträngen 13 auf der Plattform das Legen weiterer Materialstränge 13 in der zweiten und allen weiteren darüber­ liegenden Schichten jeweils parallel zueinander, jedoch beispielsweise kreuzweise zu der Lage der Materialstränge 13 in der vorhergehend gelegten Schicht erfolgt, jedoch sind auch andere Verlegungsmuster als kreuzweise möglich. Das kreuzwei­ se Verlegen mehrerer Materialstränge in übereinander angeordneten Schichten kann beispielsweise im Winkel von 90° von der einen zur anderen Schicht wech­ seln, es können jedoch auch andere Winkel < 90° verwendet werden, wenn der Anwendungsfall beim Aufbau eines dreidimensionalen Werkstückes dies erfordert.

Die kreuzweise Verlegung von parallelen Materialsträngen in übereinander ange­ ordneten Schichten erhöht bei entsprechenden Materialeigenschaften die Qualität des erstellten Bauteils. Das Düsensystem, das hier nicht dargestellt ist, umfaßt auch eine Erwärmungseinrichtung zum Aufschmelzen der verwendeten Stoffe, bevor sie der Düse bzw. Düsenaustrittsöffnung in flüssigem oder pastenartigen Zustand zu­ geführt werden. Als für die Materialstränge 13 zu verarbeitende Stoffe kommen aushärtbare Kunststoffe, wie beispielsweise Thermoplaste oder aushärtbare Pulver- Binder-Gemische in Frage, wobei hier hochschmelzende Pulverstoffe, beispielswei­ se aus Edelstahl, Kupfer und dergleichen mit einem Binder aus Wachs, Polymer oder anderen Stoffen verwendet werden können. Es sind auch Keramikpulver- Binder-Gemische verwendbar. Generell lassen sich mit der erfindungsgemäßen Düsenaustrittsöffnung alle aushärtbaren Werkstoffe, die in flüssiger oder pastenar­ tiger Form verarbeitet werden können, einsetzen. Die von der Düsenaustrittsöff­ nung 10 abgeschiedenen Materialstränge 13 auf der Plattform bzw. dem im Ent­ stehen begriffenen dreidimensionalen Bauteil können entweder pro Schicht oder gleichzeitig für mehrere abgeschiedene Schichten dadurch ausgehärtet werden, daß der Träger selbst und/oder die Umgebung der Plattform und/oder der Innen­ raum eines Behälters (nicht dargestellt), in dem der Träger angeordnet ist, ange­ paßt an die Eigenschaften des von der Düse abgeschiedenen Materials entspre­ chend temperiert wird. Dies kann beispielsweise mit Hilfe eines Flüssigkeitsbades, durch Bestrahlung oder durch Beheizen des Bauteils selbst erfolgen. Durch das Regeln der Temperatur der abgeschiedenen Materialstränge des entstehenden dreidimensionalen Bauteils wird die Temperatur der abgeschiedenen Material­ stränge an die Temperatur des neu abzuscheidenden Materials durch die Düsen­ austrittsöffnung angeglichen, so daß eine größere Präzision und Genauigkeit des Herstellungsprozesses ermöglicht wird, es werden so unnötige Spannungen in dem Material und Verzugserscheinungen vermieden. Das Aufbringen der Material­ stränge bzw. das dazu erforderliche Verfahren kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen. Einmal kann der Träger für die Ablage der in Schichten aufzubauenden Bauteile starr angeordnet sein, während die Düse mit ihrer Düsenaustrittsöffnung 10 mittels eines Programmes der Gesamtsteuerung geregelt über der Plattform verfahren wird. Zum Anderen kann die Düse mit ihrer Düsenaustrittsöffnung 10 zum Auftragen der Materialstränge 13 der in Schichten aufzubauenden Bauteile starr angeordnet sein, während der Träger durch ein Programm der Gesamtsteue­ rung geregelt unter der Düse bzw. der Düsenaustrittsöffnung 10 verfahren wird.

Das Auslegen einer Schicht mit Materialsträngen 13 beginnt zunächst in der Regel mit einer Stellung der Düsenaustrittsöffnung 10, bei der die lange Symmetrieachse senkrecht zur Verfahrrichtung 5 der Düse bzw. der Düsenaustrittsöffnung steht. Bei einem derartig gelegten Materialstrang beträgt die Strangbreite 14 ein Maxi­ mum an erreichbarer Strangbreite mit der Düsenaustrittsöffnung 10. Wird nun mit Hilfe der Verdreheinrichtung die Düsenaustrittsöffnung 10 bzw. die lange Symme­ trieachse 11 in Richtung der Verfahrrichtung 5 der Düse verstellt, so wird nicht nur die Strangbreite 15 des Strangs 13 schmäler, sondern wenn man die Fortbewe­ gungsgeschwindigkeit der Düse bzw. der Plattform und/oder die Durchsatzmenge der Düse konstant läßt, ergibt das eine größere Höhe bzw. Schichtdicke des Mate­ rialstranges 13, da auf eine kleinere Strangbreite die gleiche Menge an plastischem Material wie bei größerer Strangbreite gefördert wird. Eine größere Schichtdicke des Materialstranges 13 kann bei gewissen Konstruktionen und Anwendungen sinnvoll sein. In der Regel wird jedoch eine gleichmäßige und konstante Höhe bzw. Schichtdicke des Materialstrangs zum Legen einer Schicht gewünscht. Um eine konstante Schichtdicke auch bei geringerer Strangbreite 15 für den Materialstrang 13 zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß während des Legens von Materialsträngen 13 die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Düse oder der Platt­ form für die Materialstränge 13 und/oder die Durchsatzmenge in der Düse mittels der Gesamtsteuervorrichtung derart geregelt wird, daß eine Erhöhung oder eine Erniedrigung der Fortbewegungsgeschwindigkeit der Düse oder der Plattform für die Materialstränge und/oder der Durchsatzmenge der Düse in Abhängigkeit von der Winkelstellung der langen und kurzen Symmetrieachsen die Düsenaustrittsöff­ nung zu der Verfahrrichtung der Düse erfolgt.

Das heißt konkret, daß die Steuerung derart durchgeführt wird, daß die Fortbe­ wegungsgeschwindigkeit der Düse oder der Plattform für die Materialstränge und/oder die Durchsatzmenge in der Düse während des Verdrehens ausgehend vom Zustand beim Zusammenfallen der kurzen Symmetrieachse 12 der Düse mit der Fortbewegungsrichtung der Düse oder der Plattform für die Materialstränge gegenüber der Fortbewegungsgeschwindigkeit und/oder der Durchsatzmenge beim Zusammenfallen der langen Symmetrieachse 11 der Düse mit der Fortbewe­ gungsrichtung 5 der Düse oder der Plattform für die Materialstränge 13 verringert wird. Während des Rückdrehens der Düse vom Zustand des Zusammenfallens der langen Symmetrieachse 11 bis zum Zusammenfallen der kurzen Symmetrieachse 12 mit der Fortbewegungsrichtung 5 der Düse oder der Fortbewegungsrichtung der Plattform für die Materialstränge 13 wird dagegen die Fortbewegungsge­ schwindigkeit der Düse oder der Plattform für die Materialstränge und/oder die Durchsatzmenge erhöht. Durch eine Auslegung und Abstimmung der Ge­ samtsteuerung auf die verwendete Form der Düsenaustrittsöffnung 10 läßt sich so eine exakt konstante Höhe bzw. Schichtdicke der Materialstränge 13 während des Verdrehens der Düsenaustrittsöffnung 10 erreichen.

Bezugszeichenliste

1

Düsenaustrittsöffnung

2

rotationsymmetrischer Querschnitt

3

Bahn

4

konstante Breite

5

Verfahrrichtung der Düse

6

Breite der parallelen Bahnen

7

Schichtbreite

8

Schicht

9

ungefüllter Bereich

10

Düsenaustrittsöffnung

11

lange Symmetrieachse

12

kurze Symmetrieachse

13

Materialstrang

14

Strangbreite

15

Strangbreite

Claims (21)

1. Vorrichtung zum programmgesteuerten und bahnweisen Auftragen einer Vielzahl von Bahnen aus flüssigem oder pastösem aushärtendem Material zu Schichten, die übereinander aufgetragen dreidimensionale Bauteilformen auf einem Träger ausbilden, wobei der Auftrag mittels einer zum Träger senk­ rechten, verdrehbaren und beabstandeten Düse erfolgt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Düsenaustrittsöffnung (10) derart geformt ist, daß eine (11) der beiden senkrecht zueinander stehenden Symmetrieachsen der Dü­ senaustrittöffnung länger als die andere (12) Symmetrieachse ausgebildet ist, und daß die räumliche Ausrichtung und Lage der Düsenaustrittsöffnung (10) in der x-y-Ebene einer Schicht durch Verdrehen der Düsenaustrittsöffnung (10) veränderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Düsenaustrittsöffnug (10) als Ellipse ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Düsenaustrittsöffnung (10) als Rechteck, als Raute oder als Parallelogramm ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Verdreheinrichtung vorgesehen ist, mit der nur die Düsenaustrittsöffnung (10) oder das gesamte Düsensystem mit Düsenaus­ trittsöffnung (10) drehbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdreh­ einrichtung stets eine definierte Winkelverstellung ausführt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger fixiert ist, während die Düse programmge­ steuert über dem Träger verfahren wird.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Düse fest angeordnet ist, während der Träger pro­ grammgesteuert unter der Düse verfahren wird.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger oder das Düsensystem senkrecht zueinander verfahrbar sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Träger selbst und/oder seine Umgebung und/oder der Innenraum eines Behälters, in dem der Träger angeordnet ist, zur Anpas­ sung an die Eigenschaften des aufzutragenden Materials temperierbar ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß während des Legens von Materialsträngen (13) die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Düse oder des Trägers und/oder die Durchsatzmenge der Düse derart geregelt werden/wird, daß eine Verände­ rung der Fortbewegungsgeschwindigkeit von Düse oder Träger und/oder der Durchsatzmenge der Düse in Abhängigkeit von der Winkelstellung der lan­ gen und kurzen Symmetrieachsen (11, 12) der Düsenaustrittsöffnung (10) zur Verfahrrichtung (5) der Düse erfolgt.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung derart durchgeführt wird, daß die Fort­ bewegungsgeschwindigkeit der Düse oder des Trägers und/oder die Durch­ satzmenge der Düse während des Verdrehens, ausgehend vom Zustand beim Zusammenfallen der kurzen Symmetrieachse (12) der Düse mit der Verfahr­ richtung (5) der Düse oder des Trägers, gegenüber der Fortbewegungsge­ schwindigkeit und/oder die Durchsatzmenge beim Zusammenfallen der lan­ gen Symmetrieachse (11) der Düse mit der Verfahrrichtung (5) der Düse oder des Trägers für die Materialstränge (13), verringert werden/wird.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß während des Rückdrehens der Düse vom Zustand des Zusammenfallens der langen Symmetrieachse (11) bis zum Zusammenfallen der kurzen Symmetrieachse (12) mit der Verfahrrichtung (5) der Düse oder der Fortbewegungsrichtung des Trägers für die Materialstränge (13) die Fort­ bewegungsgeschwindigkeit der Düse oder des Trägers für die Materialsträn­ ge (13) und/oder die Durchsatzmenge erhöht wird/werden.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdreheinrichtung mittels eines Schrittmotors eine Winkelverstellung ausführt.

14. Verfahren zum Auftragen von flüssigem oder pastenartigem, aushärtbarem Material in Bahnen mit einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau von dreidimensionalen Bauteilen auf einem Träger mittels einer verdrehbaren und von dem Träger beabstandeten Düse mit konstanter Querschnittsfläche und Form der Düsenaustrittsöffnung, wobei das Auftragen von Bahnen auf den Träger gemäß in eine Steuerung einprogrammierten Datenvorgaben ausge­ führt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer langen Symmetrie­ achse (11) und einer senkrecht dazu stehenden kurzen Symmetrieachse (12) versehene Düsenaustrittsöffnung (10) hinsichtlich ihrer räumlichen Ausrich­ tung und Lage während des Legens von Bahnen in der x-y-Ebene einer Schicht gedreht wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Ver­ dreheinrichtung nur die Düsenaustrittsöffnung (10) oder das gesamte Düsen­ system mit Düsenaustrittsöffnung (10) gedreht wird.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdreheinrichtung stets um eine definierte Win­ kelverstellung weiterdreht.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Gesamtsteuerung mehrere Material­ stränge (13) in einer ersten Schicht auf der Plattform parallel nebeneinander verlegt werden, und daß weitere Materialstränge (13) in der zweiten und al­ len weiteren darüberliegenden Schichten jeweils ebenfalls parallel zueinan­ der, jedoch kreuzweise zu der Lage der Materialstränge (13) in der vorherge­ henden Schicht verlegt werden.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß während des Legens von Materialsträngen (13) die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Düse oder des Trägers und/oder die Durchsatzmenge der Düse mittels der Gesamtsteuerung derart geregelt wer­ den/wird, daß eine Veränderung der Fortbewegungsgeschwindigkeit der Düse oder des Trägers und/oder der Durchsatzmenge der Düse in Abhängig­ keit von der Winkelstellung der langen und kurzen Symmetrieachsen (11, 12) der Düsenaustrittsöffnung (10) zu der Verfahrrichtung (5) der Düse erfolgt.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Gesamtsteuerung derart gesteuert wird, daß die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Düse oder des Trägers und/oder die Durchsatzmenge der Düse während des Verdrehens der Düse, ausgehend vom Zustand beim Zusammenfallen der kurzen Symmetrieachse (12) der Düse mit der Verfahrrichtung (5) der Düse oder des Trägers hin zum Zustand beim Zusammenfallen der langen Symmetrieachse (11) der Düse mit der Verfahrrichtung (5) der Düse oder des Trägers, verringert werden/wird.

20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 181 dadurch gekennzeichnet, daß während des Rückdrehens der Düse vom Zustand des Zusammenfallens der langen Symmetrieachse (11) bis zum Zusammenfallen der kurzen Symmetrieachse (12) mit der Verfahrrichtung (5) der Düse oder des Trägers die Fortbewegungsgeschwindigkeit der Düse oder des Trägers und/oder die Durchsatzmenge erhöht wird/werden.

21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 20, gekenn­ zeichnet dadurch, daß der Träger selbst und/oder seine Umgebung und/oder der Innenraum eines Behälters, in dem der Träger angeordnet ist, zur Anpassung an die Eigenschaften des aufzutragenden Materials entspre­ chend temperiert wird.