DE202013011396U1 - Generative production facility - Google Patents
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Abstract
Generative Fertigungseinrichtung zur schichtweisen additiven Fertigung von dreidimensionalen Objekten, mit mindestens einer Fertigungsunterlage (2) und mindestens einem Fertigungskopf (3, 4, 4') zur ortselektiven Anordnung von granuliertem, pulverförmigem oder flüssigem Fertigungsmaterial auf der Fertigungsunterlage (2) beziehungsweise den auf der Fertigungsunterlage (2) zuvor gefertigten Materialschichten, welcher mindestens eine Fixiereinheit (24, 24-1, 24-2) zum Schmelzen von Fertigungsmaterial umfasst, wobei die Fertigungsunterlage (2) und der Fertigungskopf (3) sowohl entsprechend einer Arbeitsrichtung (5) in der Ebene einer Schicht, als auch in einer Vorschubrichtung (7) bezogen auf die Dicke der Schichten gegeneinander verschieblich angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Fertigungskopf (3, 4, 4') derart ausgebildet ist, dass das Fertigungsmaterial über einen nach vorgegebenen Fertigungsrastern für die jeweilige Schicht ortselektiv belichteten Fotoleiter (11) aufnehmbar und zum Fertigungsort transportierbar ist, wobei der Fertigungskopf (3, 4, 4') hierfür die folgenden Merkmale aufweist: – eine elektrofotographische Bildtrommel (8), welche an ihrem Mantel eine Fotoleiter (11) trägt und im Bereich einer Materialübergabe (12) des Fertigungskopfs (3) gegenüber der Fertigungsunterlage (2) frei liegt, – mindestens eine elektrische Konditioniereinheit (13) zur elektrostatischen Aufladung des Fotoleiters (11) der Bildtrommel (8), – mindestens eine der Konditioniereinheit (13) in Arbeitsdrehrichtung (10) der Bildtrommel (8) nachfolgend angeordnete Belichtungseinheit (14, 14-1, 14-2), welche Mittel zur ortselektiven Belichtung des Fotoleiters (11) der Bildtrommel (8) umfasst, – mindestens eine der Belichtungseinheit (14, 14-1, 14-2) in Arbeitsdrehrichtung (10) der Bildtrommel (8) nachfolgend angeordnete Entwicklereinheit (18, 18-1, 18-2) mit wenigstens einer elektrostatisch aufladbaren Transferwalze (19-1, 19-2, 19-3, 19-4) zur Bereitstellung von Fertigungsmaterial, welche parallel zur Bildtrommel (8) angeordnet ist, – mindestens eine in Arbeitsdrehrichtung (10) der Bildtrommel (8) vor der Materialübergabe (12) angeordnete und in Richtung der Fertigungsunterlage (2) wirkende elektrische Unterlagenkonditionierung (22, 22-1, 22-2).Generative manufacturing facility for layer-by-layer additive manufacturing of three-dimensional objects, with at least one manufacturing base (2) and at least one manufacturing head (3, 4, 4 ') for the location-selective arrangement of granulated, powdery or liquid manufacturing material on the manufacturing base (2) or on the manufacturing base (2) previously produced material layers, which comprises at least one fixing unit (24, 24-1, 24-2) for melting production material, the production base (2) and the production head (3) both corresponding to a working direction (5) in the plane a layer, as well as in a feed direction (7) relative to the thickness of the layers, so that the manufacturing head (3, 4, 4 ') is designed in such a way that the manufacturing material has a predetermined production pattern for the respective layer location-selectively exposed photoconductor (11) aufnehmba r and can be transported to the production site, the production head (3, 4, 4 ') having the following features for this purpose: - an electrophotographic image drum (8) which carries a photoconductor (11) on its jacket and in the area of a material transfer (12) the manufacturing head (3) is exposed relative to the manufacturing base (2), - at least one electrical conditioning unit (13) for electrostatically charging the photoconductor (11) of the image drum (8), - at least one of the conditioning unit (13) in the working direction (10) of the Imaging drum (8) subsequently arranged exposure unit (14, 14-1, 14-2), which comprises means for the location-selective exposure of the photoconductor (11) of the image drum (8), - at least one of the exposure unit (14, 14-1, 14- 2) in the working direction of rotation (10) of the image drum (8) arranged downstream developer unit (18, 18-1, 18-2) with at least one electrostatically chargeable transfer roller (19-1, 19-2, 19-3, 19-4) Provision of manufacturing m aterial, which is arranged parallel to the image drum (8), - at least one electrical document conditioning (22, 22-1) arranged in the working direction of rotation (10) of the image drum (8) before the material transfer (12) and acting in the direction of the production document (2), 22-2).
Description
Die Erfindung betrifft eine generative Fertigungseinrichtung zur schichtweisen additiven Fertigung von dreidimensionalen Objekten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a generative manufacturing device for layerwise additive production of three-dimensional objects according to the preamble of claim 1.
Generative Fertigung ist eine umfassende Bezeichnung für die Fertigung von dreidimensionalen Objekten wie Modellen, Muster, Prototypen oder Werkzeugen. Die Fertigung erfolgt direkt auf der Basis vorgegebener Datenmodelle. Die Computerdarstellung des zu fertigenden Objekts kann beispielsweise unter Zuhilfenahme eines Computers mittels CAD-Software generiert werden. Der Computer analysiert dabei die Darstellung und erzeugt einen Höhenschichtplan des zu fertigenden Objekts, bei dem für jede Schicht ein Fertigungsraster erzeugt werden kann, aus dem ersichtlich ist, an welchen Zellen des Rasters ortselektiv Fertigungsmaterial abgelegt und verfestigt werden soll. Auf diese Weise baut die generative Fertigungseinrichtung das dreidimensionale Werkstück schichtweise auf. Derartige Fertigungsverfahren sind auch unter dem Oberbegriff „Rapid Prototyping” bekannt. Rapid-Prototyping-Fertigungsverfahren setzen vorhandene Konstruktionsinformationen möglichst ohne Umwege oder Formen direkt und schnell in Werkstücke um. Anstelle von Prototypen können selbstverständlich auch andere Objekte, wie Werkzeuge oder auch Fertigteile hergestellt werden, wobei die generative Fertigung von Werkzeugen als „Rapid-Tooling” und die generative Fertigung von Werkzeugen als „Rapid-Manufacturing” bezeichnet werden. Gemeinsam ist jedoch sämtlichen Verfahren die Fertigung von dreidimensionalen Objekten nach Vorgabe vorhandener Konstruktionsinformationen, beispielsweise CAD-Daten.Generative manufacturing is a comprehensive term for the production of three-dimensional objects such as models, patterns, prototypes or tools. Production takes place directly on the basis of given data models. The computer representation of the object to be manufactured can be generated, for example, with the aid of a computer by means of CAD software. The computer analyzes the presentation and generates a height layer plan of the object to be produced, in which a production grid can be generated for each layer, from which it is apparent to which cells of the grid site-selective production material is to be stored and solidified. In this way, the generative manufacturing device builds up the three-dimensional workpiece in layers. Such manufacturing processes are also known by the generic term "rapid prototyping". Rapid prototyping manufacturing processes convert existing design information directly and quickly into workpieces, if possible without detours or molds. Instead of prototypes, of course, other objects such as tools or finished parts can be produced, with the additive manufacturing of tools being referred to as "rapid tooling" and the additive manufacturing of tools as "rapid manufacturing". However, common to all methods is the production of three-dimensional objects according to existing design information, such as CAD data.
Es sind verschiedene generative Fertigungsverfahren bekannt, mit denen bei unterschiedlichen Herstellungsgeschwindigkeiten unterschiedliche Werkstoffe verarbeitet werden können.Various generative manufacturing methods are known with which different materials can be processed at different production speeds.
Grundsätzlich weisen die Fertigungseinrichtungen zur generativen Fertigung von dreidimensionalen Objekten mindestens einen Fertigungskopf zur Anordnung von Fertigungsmaterial auf einer Fertigungsunterlage beziehungsweise auf der Fertigungsunterlage zuvor gefertigte Materialschichten auf. Die Fertigungsunterlage, auf welcher das dreidimensionale Objekt schichtweise aufgebaut wird, und der wenigstens eine Fertigungskopf sind sowohl entsprechend einer Arbeitsrichtung in der Ebene einer Schicht als auch in der Vorschubrichtung bezogen auf die Dicke der Schichten gegeneinander verschieblich angeordnet. Beispielsweise kann der Fertigungskopf über eine Fertigungsunterlage bahnförmig bewegt werden, welche in der Ebene der Schicht unbeweglich ist, um bei jedem Überfahren des Fertigungsorts Material abzulegen.In principle, the production facilities for the generative production of three-dimensional objects have at least one production head for arranging production material on a production base or on the production base previously produced material layers. The production underlay, on which the three-dimensional object is built up in layers, and the at least one production head are arranged so as to be displaceable relative to one another both in the working direction in the plane of a layer and in the feed direction relative to the thickness of the layers. For example, the production head can be moved in web form over a production base which is immovable in the plane of the layer to deposit material each time the production site is passed over.
Die generative Fertigungseinrichtung umfasst ferner eine Fixiereinheit zur Befestigung des abgelegten beziehungsweise angeordneten Fertigungsmaterials an den bereits abgelegten Materialschichten.The generative production device further comprises a fixing unit for fastening the stored or arranged production material to the already deposited material layers.
Selektives Lasersintern ist ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte durch Sintern aus einem pulverförmigen Fertigungsmaterial. Das Fertigungsmaterial wird dabei in einem dünnen Pulverbett auf die Fertigungsunterlage beziehungsweise die darunter bereits abgelegten Materialschichten aufgebracht. Eine Fixiereinheit, welche üblicherweise ein Laser ist, wärmt das Fertigungsmaterial ortselektiv auf, entsprechend den vorgegebenen Fertigungsinformationen, so dass an den bestimmten Orten das Fertigungsmaterial gesintert wird und in einen festen Zustand überführt wird. Das Fertigungsmaterial ist dabei ein Pulver, welches mit einem oder mehreren Sinterbestandteilen gemischt wird, so dass nach dem Aufschmelzen durch die Fixiereinheit und Abkühlen der Schmelze ein festes Material entsteht. Eine generative Fertigungseinrichtung zum Lasersintern kann daher keine reinen Materialien verarbeiten, da grundsätzlich ein Sintergemisch verfestigt wird. Darüber hinaus ist der Arbeitsvorgang vergleichsweise langsam, da nach dem Aufschmelzen und Sintern ein Abkühlen der soeben bearbeiteten Materialschicht abgewartet werden muss, bevor das Pulverbett für die nächste Materialschicht aufgebracht werden kann.Selective laser sintering is a process for producing three-dimensional objects by sintering from a powdery production material. The production material is applied in a thin powder bed on the production base or the underlying already deposited material layers. A fixing unit, which is usually a laser, locally warms up the production material in accordance with the predetermined manufacturing information, so that at the specific locations the production material is sintered and converted into a solid state. The production material is a powder which is mixed with one or more sintered components, so that after melting by the fixing unit and cooling the melt, a solid material is formed. Therefore, a generative manufacturing facility for laser sintering can not process pure materials, since basically a sintered mixture is solidified. In addition, the operation is comparatively slow, since after the melting and sintering a cooling of the just-processed material layer must be awaited before the powder bed for the next layer of material can be applied.
Sollen Werkstücke aus einem reinen Werkstoff, das heißt ohne Bindemittel, hergestellt werden, so wird das Fertigungsmaterialpulver, beispielsweise ein Metallpulver, vollständig auf geschmolzen. Derartige Fertigungseinrichtungen mit entsprechend starken Lasern werden dem selektiven Laserschmelzen zugeordnet.If workpieces are made of a pure material, that is, without a binder, the production material powder, for example a metal powder, is completely melted. Such production facilities with correspondingly strong lasers are assigned to the selective laser melting.
Alternativ zu dem generativen Fertigungsverfahren, welche im Kern mit ortselektivem Aufschmelzen von pulverförmigen Material in einem Pulverbett arbeiten, ist ein generatives Fertigungsverfahren ähnlich dem Funktionsprinzip eines Tintenstrahldruckers unter der Bezeichnung „Multi-jet-Modeling” oder auch „Poly-jet-Modeling” bekannt. Dabei weist ein Druckkopf mehrere linear angeordnete Düsen auf. Die Multi-Jet-Fertigungseinrichtungen verarbeiten schmelzfähige Kunststoffe, insbesondere Hartwachse, oder wachsförmige Thermoplaste, und können sehr feine Tröpfchen erzeugen. Sie erreichen dadurch hohe Oberflächengüten. Der Fertigungskopf der Poly-Jet-Fertigungseinrichtung muss jedoch motorgetrieben lange Strecken zurücklegen und arbeitet nur zeitweise am Werkstück, so dass die erreichbaren Fertigungsgeschwindigkeiten zwar für die Herstellung von Prototypen beziehungsweise Modellen („Rapid-Prototyping”) ausreichen mögen, nicht jedoch für industrielle Anwendungen mit Serien- oder Massenfertigung.As an alternative to the generative manufacturing process, which work in the core with locally selective melting of powdery material in a powder bed, a generative manufacturing method similar to the operating principle of an inkjet printer under the name "multi-jet modeling" or "poly-jet modeling" is known. In this case, a print head has a plurality of linearly arranged nozzles. The multi-jet manufacturing facilities process meltable plastics, especially hard waxes or wax-like thermoplastics, and can produce very fine droplets. You achieve high surface qualities. However, the production head of the poly-jet production facility has to travel long distances motor-driven and works only occasionally on the workpiece, so that the achievable production speeds may indeed be sufficient for the production of prototypes or models ("rapid prototyping") however, for industrial applications with series or mass production.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine generative Fertigungseinrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welche eine schnelle und genaue schichtweise Fertigung dreidimensionaler Werkstücke mit der Möglichkeit der Verarbeitung mehrerer Fertigungswerkstoffe gewährleistet.The present invention has for its object to provide a generative manufacturing device of the generic type, which ensures a fast and accurate layered production of three-dimensional workpieces with the possibility of processing multiple materials.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine generative Fertigungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a generative manufacturing device with the features of claim 1.
Erfindungsgemäß ist eine derartige Ausbildung des wenigstens einen Fertigungskopfs vorgesehen, dass das Fertigungsmaterial nach dem Prinzip der Elektrofotografie ortselektiv aufnehmbar und zur Fertigungsunterlage transportierbar ist. Das Arbeitsprinzip der Elektrofotografie ist beispielsweise aus der Anwendung bei zweidimensionalen Laserdruckern bekannt. Die Erfindung hat dabei erkannt, dass durch das Arbeitsprinzip der Elektrofotografie eine erheblich höhere Fertigungsgeschwindigkeit bei größtmöglicher Genauigkeit erreicht werden kann. Im Vergleich zum selektiven Laserschmelzen ist eine wesentlich höhere Fertigungsgeschwindigkeit gegeben, da der Fertigungswerkstoff nicht Schicht für Schicht erwärmt werden muss. Ferner ist der Verlust von Fertigungsmaterial insbesondere bei verschiedenen Fertigungswerkstoffen erheblich reduziert, da keine Verunreinigungen entstehen.According to the invention, such a construction of the at least one production head is provided that the production material can be picked up in a location-selective way according to the principle of electrophotography and can be transported to the production underlay. The working principle of electrophotography is known for example from the application in two-dimensional laser printers. The invention has recognized that a considerably higher production speed can be achieved with the greatest possible accuracy by the working principle of electrophotography. Compared to selective laser melting, a significantly higher production speed is given since the production material does not have to be heated layer by layer. Furthermore, the loss of production material is significantly reduced, in particular in the case of various production materials, since no contamination occurs.
Der Fertigungskopf der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung weist eine elektrofotografische Bildtrommel auf, welche an ihrem Mantel einen Fotoleiter trägt und im Bereich einer Materialübergabe des Fertigungskopfs gegenüber der Fertigungsunterlage frei liegt. Die Bildtrommel ist dabei ein drehbar gelagertes Bauteil, welches sich in seiner Achsrichtung quer zur Arbeitsrichtung des Fertigungskopfs erstreckt. Im Betrieb der Fertigungseinrichtung wird die Bildtrommel in einer Arbeitsdrehrichtung bewegt und über der Fertigungsunterlage abgewälzt. Dabei werden ortselektiv kleine Materialmengen zum Fertigungsort transportiert und dort abgelegt, welche zuvor nach dem Prinzip der Elektrofotografie an dem Fotoleiter der Bildtrommel platziert werden. Die Fertigungsunterlage
Die Fertigungseinrichtung weist außerdem eine elektrische Konditioniereinrichtung zur elektrostatischen Aufladung des Fotoleiters der Bildtrommel und wenigstens eine Belichtungseinheit auf. Die Belichtungseinheit umfasst dabei Mittel zur ortselektiven Belichtung des Fotoleiters der Bildtrommel entsprechend den vorgegebenen Fertigungsinformationen für das dreidimensionale Objekt bzw. Produkt. Die Belichtungseinheit ist dabei in Arbeitsdrehrichtung der Bildtrommel der elektrischen Konditioniereinheit nachgeordnet. Im Betrieb der Fertigungseinrichtung lädt die Konditioniereinheit den ihr zugewandten Abschnitt der Bildtrommel elektrostatisch auf. Hierzu umfasst die Konditioniereinrichtung vorteilhaft Koronadrähte, das heißt dünne, nahe der Bildtrommel angebrachte Drähte, welche unter hohe Spannung gesetzt werden und eine Koronaentladung erzeugen. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Konditioniereinrichtung eine Reihe von Punktladedioden, welche parallel zur Achsrichtung der Bildtrommel angeordnet sind und die jeweils zugewandt liegende Mantellinie des Fotoleiters elektrostatisch aufladen. Die Punktladedioden sind solche Dioden, deren Emission für eine lokale Ionisierung bzw. elektrostatische Aufladung ausreicht. Mehrere nebeneinander in einer Reihe angeordnete Punktladedioden wirken somit gemeinsam auf eine Mantellinie des Fotoleiters ein. Wird die Bildtrommel weiter gedreht, wird die jeweils nachfolgende Mantellinie elektrostatisch aufgeladen.The manufacturing device also has an electrical conditioning device for the electrostatic charging of the photoconductor of the image drum and at least one exposure unit. In this case, the exposure unit comprises means for the location-selective exposure of the photoconductor of the image drum in accordance with the predetermined manufacturing information for the three-dimensional object or product. The exposure unit is arranged downstream in the working direction of rotation of the image drum of the electrical conditioning unit. During operation of the production device, the conditioning unit electrostatically charges the section of the image drum facing it. For this purpose, the conditioning device advantageously comprises corona wires, that is, thin wires mounted near the picture drum, which wires are put under high voltage and generate a corona discharge. In an alternative embodiment of the invention, the conditioning device comprises a series of point charging diodes, which are arranged parallel to the axial direction of the image drum and electrostatically charge the respectively facing surface line of the photoconductor. The point charging diodes are those diodes whose emission is sufficient for local ionization or electrostatic charging. Several side by side arranged in a row point charging diodes thus act together on a surface line of the photoconductor. If the image drum is rotated further, the respective following surface line is electrostatically charged.
Nach der Konditionierung des Fotoleiters belichtet die Belichtungseinheit den Fotoleiter entsprechend den vorgegebenen Fertigungsinformationen. Dabei kann in einer vorteilhaften Ausführungsform die Belichtung an den Stellen gelöscht werden, an denen später Fertigungsmaterial auf die Bildtrommel aufgetragen werden soll. An den belichteten Stellen wird der Fotoleiter leitend und verliert dadurch seine Ladung. In einer alternativen Ausführungsform belichtet die Belichtungseinheit ein negatives Druckbild, wobei ortselektiv diejenigen Stellen belichtet werden, welche später kein Fertigungsmaterial aufnehmen sollen.After conditioning the photoconductor, the exposure unit exposes the photoconductor in accordance with the specified manufacturing information. In this case, in an advantageous embodiment, the exposure can be deleted at the points at which later production material is to be applied to the image drum. At the exposed areas of the photoconductor becomes conductive and thereby loses its charge. In an alternative embodiment, the exposure unit exposes a negative print image, with those locations being exposed in a location-selective manner, which are later to receive no production material.
Der Fertigungskopf weist außerdem einen der Belichtungseinheit in Arbeitsdrehrichtung der Bildtrommel nachfolgend angeordnete Entwicklereinheit auf, welche wenigstens eine elektrostatisch aufladbare Transferwalze zur Bereitstellung von Fertigungsmaterial auffasst. Die wenigstens eine Transferwalze ist parallel zur Bildtrommel angeordnet. Jede Transferwalze führt über elektrostatische Kräfte gehaltene Fertigungsmaterialmengen an ihrem Mantel einer Oppositionslage zu, an welcher der Mantel der Bildtrommel und der Mantel der Transferwalze im kürzesten Abstand zueinander benachbart liegen. In dieser Oppositionslage wird an denjenigen Stellen der Bildtrommel, welche zuvor von der Belichtungseinheit nicht belichtet wurden, Fertigungsmaterial von der Transferwalze an die Bildtrommel übergeben. In einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt die Belichtungseinheit ein positives Druckbild auf dem Fotoleiter, wobei das Fertigungsmaterial an der Transferwalze negativ ionisiert wird. In einer Ausführungsform mit negativer Druckbilderzeugung wird das Fertigungsmaterial positiv ionisiert.The production head further comprises a developer unit arranged downstream of the exposure unit in the working direction of rotation of the image drum, which unit comprises at least one electrostatically chargeable transfer roller for the provision of production material. The at least one transfer roller is arranged parallel to the image drum. Each transfer roller supplies, via electrostatic forces, quantities of production material at its jacket to an opposition position at which the jacket of the image drum and the jacket of the transfer roller lie in the shortest distance from one another. In this opposition situation, production material is transferred from the transfer roller to the image drum at those parts of the image drum which were not previously exposed by the exposure unit. In one embodiment of the invention, the exposure unit produces a positive print image on the photoconductor whereby the fabrication material on the transfer roller is negatively ionized. In one embodiment with negative print imaging, the manufacturing material is positively ionized.
Schließlich umfasst der erfindungsgemäße Fertigungskopf eine in Arbeitsdrehrichtung der Bildtrommel vor der Materialübergabe zur Fertigungsunterlage angeordnete und in Richtung der Fertigungsunterlage wirkende elektrische Unterlagenkonditionierung. Die Unterlagenkonditionierung umfasst dabei in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung Koronadrähte. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Unterlagenkonditionierung eine Reihe von Punktladedioden, welche quer zur Arbeitsrichtung des Fertigungskopfs angeordnet sind und beim Überfahren des Bauorts beziehungsweise der am Fertigungsort bereits auf der Fertigungsunterlage abgelegte Materialschichten aktiviert werden. Die elektrische Ladung, welche die Unterlagenkonditionierung erzeugt, ist betragsmäßig größer als die Ladung des Fotoleiters auf der Bildtrommel, so dass in der Oppositionslage der Bildtrommel an der Materialübergabe die auf der Bildtrommel mitgeführten Materialmengen von der Bildtrommel gelöst werden und am vorgesehenen Fertigungsort auf die Fertigungsunterlage beziehungsweise die darauf bereits abgelegten Materialschichten übergeben wird.Finally, the production head according to the invention comprises an electrical underlay conditioning arranged in working direction of rotation of the image drum prior to material transfer to the production underlay and acting in the direction of the production underlay. The pad conditioning comprises in an advantageous embodiment of the invention corona wires. In a further embodiment of the invention, the underlay conditioning comprises a series of point charging diodes, which are arranged transversely to the working direction of the production head and are activated when passing over the construction site or the material layers already deposited on the production support at the production location. The electrical charge which generates the pad conditioning is greater in magnitude than the charge of the photoconductor on the image drum, so that in the opposition position of the image drum at the material transfer the entrained on the image drum amounts of material from the image drum are released and at the intended production on the production base or the material layers already deposited on it are transferred.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die der Bildtrommel zugeordnete Konditioniereinheit und/oder die Unterlagenkonditionierung entweder zur Erzeugung einer negativen elektrostatischen Aufladung oder zur Erzeugung einer positiven elektrostatischen Aufladung ausgebildet. Dadurch ist die Anzahl der über das Prinzip der elektrofotografischen Beförderung und Fixierung in der jeweiligen Schicht verarbeitbaren Fertigungsstoffe deutlich erweitert. Die Konditioniereinheit und/oder die Unterlagenkonditionierung sind dabei für eine Polung der elektrostatischen Aufladung eingestellt, welche dem gewählten Fertigungswerkstoff am Besten entspricht. Vorteilhaft sind Konditioniereinheit und/oder die Unterlagenkonditionierung zwischen einer Einstellung zur Erzeugung einer negativen elektrostatischen Aufladung und einer Einstellung zur Erzeugung einer positiven elektrostatischen Aufladung umschaltbar ausgebildet.In an advantageous embodiment of the invention, the conditioning unit associated with the image drum and / or the base conditioning are formed either to produce a negative electrostatic charge or to generate a positive electrostatic charge. As a result, the number of processable via the principle of electrophotographic transport and fixation in the respective layer materials is significantly expanded. The conditioning unit and / or the base conditioning are set for a polarity of the electrostatic charge, which corresponds best to the selected manufacturing material. Advantageously conditioning unit and / or the pad conditioning between a setting for generating a negative electrostatic charge and a setting for generating a positive electrostatic charge are switched switchable.
In der bereits erwähnten Ausführungsform der Erfindung mit Erzeugung eines positiven Druckbilds auf dem Fotoleiter und negativer Ionisierung des Fertigungsmaterials an der Transferwalze ist die Unterlagenkonditionierung derart ausgebildet und eingestellt, dass eine positive Ladung erzeugbar ist.In the already mentioned embodiment of the invention with production of a positive print image on the photoconductor and negative ionization of the production material on the transfer roller, the underlay conditioning is designed and adjusted such that a positive charge can be generated.
In der Ausführungsform der Erfindung mit Erzeugung eines negativen Druckbilds auf dem Fotoleiter und negativer Ionisierung des Fertigungsmaterials an der Transferwalze ist die Unterlagenkonditionierung derart ausgebildet und eingestellt, dass eine negative Ladung erzeugbar ist. In beiden Ausführungsformen sind die Unterlagenkonditionierungen derart konfiguriert, dass ein Betrag der durch die Unterlagenkonditionierung erzeugbaren elektrischen Ladung größer ist als ein Betrag der von der Konditioniereinheit erzeugbaren Ladung des Fotoleiters am Umfang der Bildtrommel, so dass die ortselektive Übergabe des Fertigungsmaterials von der Bildtrommel zur Fertigungsunterlage oder den auf der Fertigungsunterlage bereits abgelegten Materialschichten des Werkstücks gewährleistet ist.In the embodiment of the invention with generation of a negative print image on the photoconductor and negative ionization of the production material on the transfer roll, the underpack conditioning is designed and adjusted such that a negative charge can be generated. In both embodiments, the pad conditionings are configured such that an amount of electrical charge that can be generated by the pad conditioning is greater than an amount of photoconductor charge that can be generated by the conditioning unit at the periphery of the image drum such that the site-selective transfer of the fabrication material from the imaging drum to the manufacturing pad or the already stored on the production document material layers of the workpiece is guaranteed.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Belichtungseinheit als Mittel zur ortselektiven Belichtung des Fotoleiters der Bildtrommel einen Laser, insbesondere einen gepulsten Laser wie beispielsweise einen CO2-Laser, und eine dem Laser zugeordnete Umlenkeinrichtung. Die optische Umlenkeinrichtung ist dabei vorzugsweise ein rotierender Spiegel, insbesondere ein hexagonaler Spiegel, welcher nach Art eines Laserscanners den Laserstrahl des Lasers zeilenweise auf die Bildtrommel lenkt. Der Laser wird gemäß den vorgegebenen Fertigungsrastern für die jeweilige Schicht ein und ausgeschaltet. Aufgrund der Belichtung des Fotoleiters mittels eines Lasers können sehr hohe Fertigungsgeschwindigkeiten erreicht werden, so dass die erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung nicht nur zur Herstellung von Prototypen, sondern vielmehr auch für industrielle Serien oder Massenfertigungen geeignet ist.In a preferred embodiment of the invention, the exposure unit comprises as means for the location-selective exposure of the photoconductor of the image drum a laser, in particular a pulsed laser such as a CO2 laser, and a deflecting device associated with the laser. The optical deflection device is preferably a rotating mirror, in particular a hexagonal mirror, which directs the laser beam of the laser line by line on the image drum in the manner of a laser scanner. The laser is turned on and off according to the given manufacturing grids for the respective layer. Due to the exposure of the photoconductor by means of a laser very high production speeds can be achieved, so that the manufacturing device according to the invention is not only suitable for the production of prototypes, but also suitable for industrial series or mass production.
In einer alternativen Ausführungsform weist die Belichtungseinheit als Mittel zur ortselektiven Belichtung des Fotoleiters der Bildtrommel in Achsrichtung der Bildtrommel aneinander gereihte Lichtquellen auf. Die einzelnen Lichtquellen sind dabei selektiv ansteuerbar, gemäß den vorgegebenen Fertigungsrastern, so dass auf dem Fotoleiter das gewünschte Druckbild vor der Bestückung des Fotoleiters über die Entwicklereinheit erzeugbar ist. Die selektiv ansteuerbaren Lichtquellen sind dabei vorzugsweise Leuchtdioden.In an alternative embodiment, the exposure unit as a means for the location-selective exposure of the photoconductor of the image drum in the axial direction of the image drum to each other lined up light sources. The individual light sources are selectively controllable, according to the predetermined manufacturing grids, so that on the photoconductor, the desired print image before the assembly of the photoconductor on the developer unit can be generated. The selectively controllable light sources are preferably light emitting diodes.
Um eine Ionisierung des Baumaterials an der Transferwalze zu gewährleisten, ist der Transferwalze eine Ladeeinheit zugeordnet. Die Ladeeinheit erzeugt dabei elektrostatische Kräfte am Mantel der Transferwalze, welche Fertigungsmaterial während des Transports zur Bildtrommel festhalten.In order to ensure ionization of the building material on the transfer roller, the transfer roller is associated with a loading unit. The charging unit generates electrostatic forces on the jacket of the transfer roller, which hold production material during transport to the image drum.
Vorteilhaft ist in einem zwischen der Materialübergabe der Bildtrommel und der Konditioniereinheit liegenden Rücklaufabschnitt der Bildtrommel eine Reinigungseinheit angeordnet. Die Reinigungseinheit ist vorteilhaft ein Materialabstreifer, welcher mit einem möglichst kleinen Spalt am Mantel der Bildtrommel angeordnet ist, so dass gegebenenfalls verbleibende Materialreste vom Umfang der rotierenden Bildtrommel abgenommen werden. Nach der Übergabe des Fertigungsmaterials von der Bildtrommel auf die Fertigungsunterlage beziehungsweise die darauf bereits gefertigten Materialschichten verbleiben gegebenenfalls noch Materialreste am Mantel der Bildtrommel, welche während des Rücklaufs zur Konditioniereinheit, wo die Bildtrommel für die nächsten Arbeitszyklus konditioniert wird, gereinigt wird. Advantageously, a cleaning unit is arranged in a return section of the image drum between the material transfer of the image drum and the conditioning unit. The cleaning unit is advantageously a Materialabstreifer, which is arranged with the smallest possible gap on the jacket of the image drum, so that any remaining material remnants are removed from the circumference of the rotating image drum. After the transfer of the production material from the image drum onto the production base or the material layers already fabricated thereon, residual material may still remain on the surface of the image drum, which is cleaned during the return to the conditioning unit where the image drum is conditioned for the next work cycle.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Entwicklereinheit mehrere Transferwalzen für jeweils unterschiedliche Fertigungsmaterialien, welche an einem drehbaren Transferkarussell derart gehalten sind, dass jeweils eine Transferwalze in eine aktive Stellung benachbart der Bildtrommel bewegbar ist. Das Transferkarussell ist hierzu mittels eines Antriebs nach Art eines Revolvers in Schritten verstellbar. Auf diese Weise können Objekte mit unterschiedlichen Materialien gefertigt werden, wobei auch innerhalb einer Schicht, nämlich durch kurzzeitiges Verdrehen des Transferkarussells unterschiedliche Materialien eingebaut werden können. Dabei ist auch die Bildung von Legierungen möglich.In a preferred embodiment of the invention, the developer unit comprises a plurality of transfer rollers for each different production materials, which are held on a rotatable transfer carousel such that in each case a transfer roller is movable to an active position adjacent to the image drum. The transfer carousel is adjustable by means of a drive in the manner of a revolver in steps. In this way, objects can be manufactured with different materials, wherein also within a layer, namely by brief rotation of the transfer carousel different materials can be installed. It is also the formation of alloys possible.
Vorteilhaft weist der Fertigungskopf für eine erste Arbeitsrichtung eine erste Ausstattung mit jeweils mindestens einer Konditioniereinheit, Belichtungseinheit, Entwicklereinheit, Unterlagenkonditionierung und Fixiereinheit auf und für eine der ersten Arbeitseinrichtung entgegengesetzte zweite Arbeitsrichtung eine zweite Ausstattung auf. Die zweite Ausstattung umfasst entsprechend jeweils mindestens eine Konditioniereinheit, eine Belichtungseinheit, eine Entwicklungseinheit, eine Unterlagenkonditionierung und eine Fixiereinheit, welche im Wesentlichen symmetrisch zur ersten Ausstattung angeordnet ist. Auf diese Weise ist die Arbeitsgeschwindigkeit verdoppelt, in dem nach Abschluss eines Bearbeitungszyklus die Arbeitsbewegung des Fertigungskopfs in der Ebene der Schichten geändert wird und die Drehrichtung der Bildtrommel ebenfalls gewechselt wird. Die erste Ausstattung und die zweite Ausstattung sind alternativ aktivierbar, wobei die jeweiligen Arbeitsdrehrichtungen der Bildtrommel entgegen gesetzt sind.Advantageously, the production head for a first working direction on a first equipment with at least one conditioning unit, exposure unit, developer unit, pad conditioning and fixing on and for a first working device opposite second working direction on a second equipment. Accordingly, the second equipment respectively comprises at least one conditioning unit, an exposure unit, a development unit, a base conditioning unit and a fixing unit, which is arranged substantially symmetrically with respect to the first equipment. In this way, the operating speed is doubled, in which, after completion of a processing cycle, the working movement of the production head in the plane of the layers is changed and the direction of rotation of the image drum is also changed. The first equipment and the second equipment can be activated alternatively, with the respective operating directions of rotation of the image drum are opposite.
Eine rasche und genaue Befestigung des Fertigungsmaterials auf der Fertigungsunterlage beziehungsweise bereits abgelegten Materialschichten ist gegeben, wenn die Fixiereinheit des Fertigungskopfs einen Laser und eine dem Laser zugeordnete, optische Umlenkeinrichtung umfasst. Die Umlenkeinrichtung ist vorzugsweise ein rotierender Spiegel, insbesondere ein hexagonaler Spiegel, welcher nach Art eines Laserscanners den Laserstrahl des Lasers auf die zu fixierenden Stellen umlenkt. Dabei erwärmt der Laserstrahl die ortselektiv angesteuerten Stellen und schmilzt das dort befindliche Fertigungsmaterial, welches anschließend abkühlt und Teil des zu fertigenden Werkstücks wird. Dabei können materialreine Objekte gefertigt werden, wenn sortenreines Fertigungsmaterial, beispielsweise ein Metallpulver, abgelegt und durch den Laserstrahl geschmolzen wird.A rapid and accurate attachment of the production material on the production base or already deposited layers of material is given if the fixing unit of the production head comprises a laser and the laser associated with, optical deflection. The deflection device is preferably a rotating mirror, in particular a hexagonal mirror, which deflects the laser beam of the laser onto the points to be fixed in the manner of a laser scanner. In this case, the laser beam heats the locally selectively controlled points and melts the production material located there, which then cools and becomes part of the workpiece to be manufactured. In this case, pure material objects can be produced if unmixed production material, for example a metal powder, is deposited and melted by the laser beam.
Ist der Bildtrommel eine Heizeinrichtung zugeordnet, so wird der Fertigungswerkstoff vor der Übergabe an die Fertigungsunterlage erwärmt und somit der Energieaufwand für den Schmelzvorgang im Rahmen der Fixierung reduziert. Vorteilhaft ist die Bildtrommel von der Heizeinrichtung auf einem im Wesentlichen konstanten Temperaturniveau gehalten, wobei das Temperaturniveau vorteilhaft einstellbar ist.If the image drum is assigned a heating device, then the production material is heated prior to transfer to the production base and thus the energy required for the melting process is reduced as part of the fixation. Advantageously, the image drum is held by the heater at a substantially constant temperature level, wherein the temperature level is advantageously adjustable.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Fertigungseinrichtung wenigstens einen Fertigungskopf als Hauptfertigungskopf für das Fertigungsmaterial und einen weiteren Fertigungskopf als Stützfertigungskopf für Stützmaterial, welcher koordiniert mit dem Hauptfertigungskopf ansteuerbar ist. Der Stützfertigungskopf ordnet dabei Stützmaterial innerhalb der jeweils zu erzeugenden Materialschichten ab, welches zur Stützung der jeweils nachfolgenden Materialschicht vorgesehen ist. Das Stützmaterial ermöglicht die Ausbildung von Hinterschnitten und dergleichen. Das Stützmaterial wird nach der Fertigung des dreidimensionalen Objekts entfernt, beispielsweise durch eine Wasserspülung.In a further advantageous embodiment of the invention, the production device comprises at least one production head as a main production head for the production material and another production head as a support production head for support material, which is controlled in coordination with the main production head. The support manufacturing head arranges support material within the respective material layers to be produced, which is provided to support the respective subsequent material layer. The support material allows the formation of undercuts and the like. The support material is removed after the production of the three-dimensional object, for example by a water rinse.
Vorteilhaft entspricht der Stützfertigungskopf bezüglich der Anordnung von Bildtrommel, Konditioniereinheit, Belichtungseinheit, Entwicklereinheit und Unterlagenkonditionierung dem Hauptfertigungskopf. Der Stützfertigungskopf arbeitet mit einer ähnlichen Arbeitsgeschwindigkeit wie der Hauptfertigungskopf, so dass insgesamt eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit gegeben ist. Die Fixiereinheit des Stützfertigungskopfs ist dabei vorteilhaft eine Wärmequelle, beispielsweise eine Ultraviolettlampe.Advantageously, the support manufacturing head corresponds to the main production head with respect to the arrangement of imaging drum, conditioning unit, exposure unit, developer unit and pad conditioning. The support production head operates at a similar operating speed as the main production head, so that overall a high operating speed is given. The fixing unit of the support production head is advantageously a heat source, for example an ultraviolet lamp.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Fixiereinheit des Hauptfertigungskopfs anstelle einer schmelzenden Einrichtung, beispielsweise eines Lasers, mit einer Wärmequelle, beispielsweise einer oder mehreren Ultraviolettlampen versehen. Dadurch sind bestimmte Fertigungswerkstoffe, welche bspw. flüssig aufgebracht werden oder zur Verfestigung polymerisiert werden, fixierbar.In one embodiment of the invention, the fuser unit of the main manufacturing head is provided with a heat source, for example one or more ultraviolet lamps, instead of a melting device, for example a laser. As a result, certain production materials, which, for example, are applied in liquid form or are polymerized for solidification, can be fixed.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Further features emerge from the subclaims. The invention is explained below with reference to the drawing. Show it:
Die Fertigungseinrichtung
Die Fertigungsköpfe
Die Fertigungsköpfe
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Arbeitsbewegung in Arbeitsrichtung
Die Fertigungsköpfe
Jeder Fertigungskopf
Die Erfindung ist nicht auf Fertigungseinrichtungen mit Hauptfertigungsköpfen
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung
Die Fertigungseinrichtung
Der Hauptfertigungskopf
Der Hauptfertigungskopf
Die Belichtungseinheit
Die als Laserscanner ausgeführte Belichtungseinheit
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist anstelle der als Laserscanner ausgeführten Belichtungseinheit
Zur Bestückung der Bildtrommel
Die Transfertrommeln
Das Fertigungsmaterial wird an der jeweiligen Transferwalze über elektrostatische Ladungen gehalten. Hierzu ist der Transferwalze
Mit der weiteren Bewegung der Bildtrommel
Schließlich umfasst der Fertigungskopf eine in Arbeitsdrehrichtung
Der Fertigungskopf
Die Fixiereinheit
Jeder Umfangsabschnitt der Bildtrommel
In
Im Unterschied zum Hauptfertigungskopf
Der Hauptfertigungskopf
Die Bildtrommel
Mit der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung können bei rascher und genauer Fertigung verschiedene Fertigungswerkstoffe kombiniert werden. Darüber hinaus ist eine Einfärbung einzelner Fertigungsmaterialien durch Farbpartikel möglich. Gegenüber herkömmlichen generativen Fertigungsverfahren ist mit der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung eine vergrößerte Baufläche gegeben. insbesondere werden hohe Fertigungsgeschwindigkeiten erreicht, da der Fertigungswerkstoff nicht schichtweise erwärmt wird und – wie beispielsweise beim selektiven Lasersintern oder Laserschmelzen eine Abkühlung der soeben bearbeiteten Materialschicht abgewartet werden muss. Weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung ist die Reduzierung von Materialabfall bei verschiedenen Werkstoffen, da mit der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung binderfreie Werkstoffe verwendet werden und keine Verunreinigungen entstehen.With the production device according to the invention, different production materials can be combined with rapid and accurate production. In addition, a coloring of individual production materials by color particles is possible. Compared with conventional generative manufacturing processes, the production facility according to the invention provides an increased construction area. In particular, high production speeds are achieved, since the production material is not heated in layers and - as for example in selective laser sintering or laser melting, a cooling of the just-processed material layer must be awaited. Another advantage of the manufacturing device according to the invention is the reduction of material waste in different materials, since binder-free materials are used with the production device according to the invention and no impurities arise.
Die Fixiereinheit des Hauptfertigungskopfs mit einem Laser erlaubt ein vollständiges Schmelzen der ortselektiv vorgelegten Materialportionen, wodurch auf einfache Weise bei Verwendung mehrerer Fertigungswerkstoffe Legierungen miteinander verbunden werden. Mit entsprechend feinkörnigen oder flüssigen Fertigungsmaterialien können sehr feine Oberflächenstrukturen, gefertigt werden.The fixation unit of the main manufacturing head with a laser allows complete melting of the locally selectively presented portions of material, whereby in a simple manner, when using a plurality of production materials alloys are joined together. With correspondingly fine-grained or liquid production materials, very fine surface structures can be produced.
Die Ausbildung der Fertigungseinrichtung mit einem oder mehreren Hauptfertigungsköpfen und einem oder mehreren Stützfertigungsköpfen
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