WO2016150559A1

WO2016150559A1 - Einrichtung und verfahren zum 3d-drucken von werkstücken

Info

Publication number: WO2016150559A1
Application number: PCT/EP2016/000476
Authority: WO
Inventors: Karlmann Kanzler
Original assignee: Linde Aktiengesellschaft
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2016-09-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (1) zum 3D-Drucken eines Werkstücks (6) aus einem pulverförmigen Druckmaterial, oder aus einem aus flüssigen, bzw. zähflüssigen Tropfen, Zement oder mit Klebstoff beschichteten Partikel bestehenden Druckmaterial, das eine Vielzahl an Werkstoffpartikeln (4) aufweist, wobei die Einrichtung (1) einen Druckkopf (2) aufweist, mit: einer Druckmaterialdüse (7), die dazu konfiguriert ist, Werkstoffpartikel (4) des Druckmaterials auszustoßen, so dass diese einen Arbeitspunkt (20) beaufschlagen, einer Strahlenquelle (5), die dazu ausgebildet ist, einen Teilchenstrahl (11) zu erzeugen und auf den Arbeitspunkt (20) zu richten, so dass am Arbeitspunkt (20) befindliche Werkstoffpartikel (4) mit einem Bereits 3D-gedruckten Bereich des herzustellenden Werkstücks (6) verschmolzen, oder verklebt bzw. ausgehärtet werden, und insbesondere einer Absaugdüse (17), zum Absaugen von nicht mit dem Werkstück (6) verschmolzenen, oder verklebten bzw. ausgehärteten Werkstoffpartikeln (4) aus einer Umgebung des Arbeitspunktes (20). Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

Beschreibung

Einrichtung und Verfahren zum 3D-Drucken von Werkstücken

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung sowie ein Verfahren zum 3D-Drucken von Werkstücken.

Im Stand der Technik sind verschiedene 3D-Drucker bekannt, bei denen ein Prototyp oder ein Werkstück direkt aus Pulver oder verflüssigtem Material geformt wird.

Insbesondere SLS (Selektives Lasersintern; engl.: selective laser sintering) und SLM (Selektives Laserschmelzen; engl.: selective laser melting) sind pulverbasierte beziehungsweise partikelbasierte 3D-Druckverfahren, die zur Herstellung von

Werkstücken geeignet sind, insbesondere auch aus Metall. Bei diesen Verfahren wird über die gesamte Druckfläche eine dünne Werkstoffpartikelschicht aufgebaut und mittels eines Lasers Werkstoffpartikel im Bereich der zu bildenden Struktur

aufgeschmolzen beziehungsweise oberflächlich angeschmolzen und somit die

Werkstoffpartikel stoffschlüssig miteinander verbunden. Diese Verfahren werden selektiv genannt, weil das Werkstoffpartikelmaterial, welches in einem Bereich abseits der zu bildenden Struktur aufgeschichtet wurde, nicht erwärmt wird. Vor dem Bilden einer weiteren Schicht der zu bildenden Struktur wird eine Werkstoffpartikelschicht vollflächig aufgebracht. So werden Schicht für Schicht die Werkstoffpartikel im Bereich der zu bildenden Struktur miteinander verbunden, wobei die abseitigen

Werkstoffpartikel thermisch unverändert an Ort und Stelle belassen werden. Dies hat zum einen den Nachteil, dass die Größe der Bauteile auf die Vollfläche eines solchen 3D-Druckers begrenzt ist und zum anderen viel überflüssiges Werkstoffpartikelmaterial aufgeschichtet werden muss, welches anschließend wieder entfernt werden muss. Gerade für große Hohlkörper, bei denen zum Beispiel nur in einem Randbereich eine Wandung aufgebaut werden soll, muss also in der Regel eine sehr große Fläche mit Partikelmaterial beschickt werden. Schließlich kann bei den bisherigen technischen Lösungen nur an der Oberseite des Pulverbettes der 3D-Volumenkörper bzw. das Werkstück aufgebaut werden.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt sowie nachfolgend beschrieben. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.

Gemäß Anspruch 1 ist eine Einrichtung (auch als 3D-Drucker bezeichnet) zum SD- Drucken eines Werkstücks aus einem Druckmaterial (z.B. ein pulverförmiges

Druckmaterial, das eine Vielzahl an Werkstoffpartikeln aufweist, ein flüssiges bzw. zähflüssiges Druckmaterial, Zement, oder mit Klebstoff beschichtete Partikel ), wobei die Einrichtung zumindest einen Druckkopf aufweist, mit: einer Druckmaterialdüse, die dazu konfiguriert ist, Werkstoffpartikel des Druckmaterials auszustoßen, so dass diese (bzw. zumindest ein einzelnes Werkstoffpartikel) einen vordefinierbaren Arbeitspunkt beaufschlagen, einer Strahlenquelle, die dazu ausgebildet ist, einen Teilchenstrahl zu erzeugen und auf den Arbeitspunkt zu richten, so dass das oder die am Arbeitspunkt befindlichen Werkstoffpartikel mit einem bereits 3D-gedruckten Bereich des

herzustellenden Werkstücks verschmolzen oder verklebt bzw. ausgehärtet werden, und vorzugsweise einer Absaugdüse, zum Absaugen von überschüssigen

Werkstoffpartikeln aus einer Umgebung des Arbeitspunktes oder vom Arbeitspunkt. Vorzugsweise ist die Absaugdüse stets auf den momentanen Arbeitspunkt gerichtet. Der Teilchenstrahl dient insbesondere dazu, Energie auf die Werkstoffpartikel zu übertragen, so dass diese erhitzt und zumindest teilweise geschmolzen werden oder das Druckmaterial bzw. die Werkstoffpartikel aushärten.

Der Begriff Werkstoffpartikel soll vorliegend auch Werkstofftropfen umfassen.

Werkstoffpartikel sind also mit anderen Worten durch eine Phasengrenzfläche zur Umgebung hin gekennzeichnet und weisen insofern ein abgegrenztes Volumen auf. Werkstoffpartikel können also fest sein oder auch flüssig, insbesondere zähflüssig. Es ist auch denkbar, feste Werkstoffpartikel mit einem flüssigen, insbesondere

zähflüssigen, Material zu beschichten (z.B. mit einem Klebstoff). Bei festen

Werkstoffpartikeln (z.B. pulverförmiges Druckmaterial) dient die Energie des

Teilchenstrahls bevorzugt dazu, die Werkstoffpartikel mit dem Werkstück zu

verschmelzen, d.h., die Werkstoffpartikel härten aus, wenn der Teilchenstrahl sie nicht mehr beaufschlagt. Bei flüssigen Werkstoffpartikeln oder bei Werkstoffpartikeln, die mit einem flüssigen Material beschichtet sind, dient der Teilchenstrahl bevorzugt dazu, das flüssige Material auszuhärten. D.h. der Teilchenstrahl setzt eine Reaktion in Gang, die zum Aushärten des Druckmaterials führt. Hier werden die Werkstoffpartikel also mittels der Druckmaterialdüse zum Arbeitspunkt befördert, lagern sich dort ggf. an einen bereits bestehenden Abschnitt des Werkstücks an und werden dann ausgehärtet, wodurch eine dauerhafte Verbindung hergestellt wird.

Vorliegend werden im Sinne der Erfindung Photonen ebenfalls als Teilchen aufgefasst, so dass ein Teilchenstrahl insbesondere auch ein aus Photonen gebildeter Laserstrahl sein kann.

Die hier vorgeschlagene Einrichtung bzw. der erfindungsgemäße Druckkopf oder das mit der Einrichtung bzw. dem Druckkopf durchführbare Verfahren unterscheiden sich deutlich von den bisher bekannten Verfahren. Hier wird nicht alleine eine

Schmelzvorrichtung vorgesehen, die mittels Aufschmelzens selektierter Bereiche in einem bereits gebildeten Partikelbad ein Werkstück schichtweise aufbaut. Vielmehr werden die Werkstoffpartikel mittels einer räumlich steuerbaren Druckmaterialdüse bevorzugt nur im Bereich der zu bildenden Struktur bzw. nur am momentanen

Arbeitspunkt zugeführt. Der Druckkopf wird hierzu über dem zu bildenden Werkstück beziehungsweise der jeweils zu bildenden Teilstruktur auf einen vorbestimmten Arbeitspunkt ausgerichtet, wobei die Werkstoffpartikel des Druckmaterials an diesem verfahrbaren Arbeitspunkt zugeführt und mittels der Strahlenquelle bzw. der

Teilchenstrahlen an diesem vorbestimmten Arbeitspunkt geschmolzen oder verklebt bzw. ausgehärtet werden. Somit ist es möglich, ein beliebig geformtes Werkstück zu drucken, ohne ein vollflächiges Partikelbad aufschichten zu müssen. Der

erfindungsgemäße Druckkopf ist grundsätzlich unabhängig von der Größe des herzustellenden Werkstücks. Für eine zielgerichtete und ausrichtungsunabhängige Zuführung von Werkstoffpartikeln ist es besonders vorteilhaft, eine Gasdüse zu verwenden, die hier als

Druckmaterialdüse bezeichnet wird, bei der mittels eines Trägergases die

Werkstoffpartikel räumlich präzise und bevorzugt unabhängig von der Ausrichtung des Druckkopfes zum Schwerefeld der Erde, dem jeweiligen momentanen Arbeitspunkt zugeführt werden. Insbesondere kann dabei ein Trägergas verwendet werden, welches inert ist, zum Beispiel Argon (seltener Helium), oder welches aktive Gasanteile enthält, zum Beispiel Argon mit Anteilen von C0₂. Bei Verwendung von Intertgas wirden am Arbeitspunkt ggf. störende Umgebungsluftbestandteile verdrängt, um so bei der Erwärmung der Partikel zum Beispiel eine unerwünschte Reaktion mit dem Sauerstoff zu vermeiden.

Bei der Verwendung von Aktivgas kann bei bestimmten Druckmaterialen durch die C0₂-Anteile ein gewisser Einbrand erzeugt werden, der für eine bessere Verbindung der Werkstoffpartikel sorgen kann.

Weiterhin wird durch das Absaugen der überflüssigen Werkstoffpartikel am

Arbeitspunkt mit Vorteil verhindert, dass z.B. nicht korrekt zugeführte Werkstoffpartikel wieder in den aktuellen Arbeitspunkt gelangen und unter Umständen das Ergebnis des Drucks beeinträchtigen können. Darüber hinaus werden die ungenutzten

Werkstoffpartikel davor geschützt, thermisch beeinflusst zu werden, und sind somit unbehandelt oder z.B. gefiltert nochmalig verwendbar, z.B. indem sie in einem

Kreislauf zur Druckmaterialdüse zurückgeführt werden. Somit wird vergleichsweise viel Material eingespart und zugleich eine verbesserte Qualität des Werkstücks erreicht. Insbesondere für einen Sinterprozess sind dabei die Partikel aufgrund des Schutzes vor thermischer Beeinflussung unverändert wiederverwertbar, weil auch z.B. der an der Oberfläche eines Werkstoffpartikels vorgesehene Binder nicht thermisch beeinflusst wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist vorgesehen, dass die Komponenten des Druckkopfes in Form der Druckmaterialdüse, der Strahlenquelle und der Absaugdüse starr miteinander gekoppelt sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Einrichtung ist vorgesehen, dass die Komponenten des Druckkopfes in Form der

Druckmaterialdüse, der Strahlenquelle und der Absaugdüse so miteinander verbunden sind, dass jede der Komponenten bezüglich der anderen Komponenten entlang einer Anzahl von 0 bis 3 (vorzugsweise unabhängigen) translatorischen Achsen bewegbar und/oder um eine Anzahl von 0 bis 3 rotatorischen Achsen rotierbar ist. Eine Anzahl von 0 translatorischen bzw. 0 rotatorischen Achsen meint dabei, dass die zwei betreffenden Komponenten derart starr miteinander verbunden sind, dass sie keine Translation zueinander ausführen können (0 Translationsachsen) bzw. dass sie drehfest miteinander verbunden sind, so dass sie keine Rotation zueinander ausführen können (0 Rotationsachsen).

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Einrichtung ist vorgesehen, dass diese dazu konfiguriert ist, den Druckkopf entlang dreier unabhängiger, insbesondere orthogonaler, translatorischer Achsen x, y, z zu bewegen (z.B. mittels Linearantrieben, insbesondere Linearmotoren, -modulen oder - aktoren) und/oder dass die Einrichtung dazu konfiguriert ist, den Druckkopf um eine parallel zur momentanen Druckebene verlaufende Roll-Achse sowie um eine parallel zur momentanen Druckebene sowie orthogonal zur Roll-Achse verlaufende Nick-Achse zu schwenken. Dies ist insbesondere für kurvige Teilstücke eines zu fertigenden Werkstücks besonders vorteilhaft. Die Verjährbarkeit des Druckkopfes ermöglicht es, den Arbeitspunkt entlang einer beliebig vordefinierten Bahn zu verschieben, wobei an dem jeweiligen Arbeitspunkt Druckmaterial zum bereits gedruckten Teil des

Werkstücks hinzugefügt wird. Auf diese Weise kann das Werkstück sukzessive aus den Werkstoffpartikeln aufgebaut werden. Die Rollachse kann insbesondere parallel zur x-Achse verlaufen oder mit dieser zusammenfallen. Weiterhin kann die Nickachse parallel zur y-Achse verlaufen oder mit dieser zusammenfallen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Einrichtung ist vorgesehen, dass diese dazu ausgebildet ist, das Druckmaterial bzw. die Werkstoffpartikel zusammen mit einem Trägergas aus der Druckmaterialdüse auszustoßen. Die Werkstoffpartikel werden also von einem Trägergas mitgenommen und mittels des aus der Druckmaterialdüse ausgestoßenen Trägergases auf den jeweiligen Arbeitspunkt geschossen. Dies kann derart geschehen, dass das Trägergas den Arbeitspunkt vom Luftsauerstoff, vom C0₂ oder auch vom Luftstickstoff abschirmt und/oder diesen vom Arbeitspunkt verdrängt. Dies kann z.B. für Druckmaterialen von Bedeutung sein, bei denen eine Oxidation oder Aufnitrierung nicht erwünscht ist. In der Regel ist die Oxidation von Metallen nicht gewünscht. Ebenso kann der Stickstoff, z.B. bei Stählen durch Einlagerung von Nitriden, die mit den Elementen Aluminium, Chrom, Molybdän, Titan und Vanadium entstehen, zu ungewünschten Härten bzw.

Versprödungen führen. C0₂ wirkt als Aktivgas und kann ebenso zu unerwünschten Reaktionen führen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Einrichtung ist vorgesehen, dass die Einrichtung dazu konfiguriert ist, eine Beladung des Trägergases mit dem Druckmaterial und/oder eine Ausströmgeschwindigkeit des Trägergases beim Verlassen der Druckmaterialdüse zu regeln oder zu steuern.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Einrichtung ist vorgesehen, dass die Druckmaterialdüse mit einer Druckebene bzw. Oberfläche des bereits gedruckten Werkstückteils einen insbesondere einstellbaren Anströmwinkel einschließt, wobei die Einrichtung dazu ausgebildet ist, den

Anströmwinkel einzustellen, insbesondere zu steuern oder zu regeln.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Einrichtung ist vorgesehen, dass die Absaugdüse mit einer Druckebene bzw. einer Oberfläche des bereits gedruckten Werkstückteils einen insbesondere einstellbaren Absaugwinkel einschließt, wobei die Einrichtung dazu ausgebildet ist, den

Absaugwinkel einzustellen, insbesondere zu steuern oder zu regeln.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Einrichtung ist vorgesehen, dass diese dazu ausgebildet ist, das über die Absaugdüse abgesaugte Druckmaterial zu sammeln und/oder zur Druckmaterialdüse

zurückzuführen, wobei insbesondere die Einrichtung dazu ausgebildet ist, das abgesaugte Druckmaterial vor der Rückführung zur Druckmaterialdüse zu reinigen, insbesondere zu Filtern und in sonstiger Weise aufzubereiten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Einrichtung ist vorgesehen, dass die Einrichtung dazu ausgebildet ist, einzelne

Werkstoffpartikel gesteuert über die Druckmaterialdüse zum Arbeitspunkt zu blasen und dort jeweils mittels des Teilchenstrahls mit dem am Arbeitspunkt befindlichen, bereits 3D-gedruckten Bereich des herzustellenden Werkstücks zu verschmelzen, oder zu verkleben bzw. auszuhärten. Hierdurch kann die Anzahl der abzusaugenden Werkstoffpartikel mit Vorteil reduziert werden. Bevorzugt fallen aufgrund der besagten Steuerung im Wesentlichen keine überflüssigen Werkstoffpartikel an dem jeweiligen Arbeitspunkt an, so dass auf eine Absaugung am jeweiligen Arbeitspunkt in diesem Falle gänzlich verzichtet werden kann. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Einrichtung ist vorgesehen, dass die Druckmaterialdüse und/oder die Absaugdüse jeweils einen gekrümmten Verlauf aufweisen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Einrichtung ist vorgesehen, dass die Strahlenquelle eine der folgenden Strahlenquellen ist: ein Laser, der dazu ausgebildet ist, einen Teilchenstrahl in Form eines Laserstrahls zu erzeugen, oder eine Elektronenstrahlquelle, die dazu ausgebildet ist, einen

Teilchenstrahl in Form eines Elektronenstrahls zu erzeugen. Für den Fall, dass

Elektronen zum Schmelzen der Werkstoffpartikel verwendet werden, ist die Einrichtung bevorzugt so konfiguriert, dass eine Spannung zwischen dem Druckkopf und dem bereits 3D-gedruckten Bereich des herzustellenden Werkstücks anlegbar ist. Ein solches 3D-Druckverfahren wird auch als Elektronenstrahlsintern oder

Elektronenstrahlschmelzen bezeichnet.

Wie bereits oben angedeutet, ist gemäß einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung vorgesehen, dass Werkstoffpartikel in Form von Flüssigkeitstropfen bzw. in Form von zähflüssigen Tropfen, Zement oder mit Klebstoff beschichtete Partikel über die Druckmaterialdüse zum Arbeitspunkt befördert werden und dort durch die Energiezufuhr des Teilchenstrahls aushärten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Einrichtung ist vorgesehen, dass die Lagen bzw. räumlichen Positionen der

Druckmaterialdüse und der Strahlenquelle austauschbar sind. Die Einrichtung kann hierzu einen Mechanismus aufweisen, der es erlaubt, die Positionen dieser beiden Komponenten gegeneinander zu tauschen.

Weiterhin kann die mindestens eine Absaugdüse (oder die mehreren Absaugdüsen) bzw. ein durch diese jeweils definierter Kanal verschiedene Querschnitte aufweisen, insbesondere einen runden, einen dreieckigen, einen viereckigen, einen vieleckigen, einen ovalen, einen elliptischen, einen ringförmigen, einen u- oder v-förmigen

Querschnitt. Diese Querschnittsformen können auch miteinander kombiniert werden. Für den Fall, dass mehrere Absaugdüsen (z.B. zwei) vorhanden sind, können diese Absaugdüsen unterschiedliche Querschnitte aufweisen, z.B. jeweils einen der vorgenannten Querschnitte.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum schichtweisen Aufbauen eines Werkstücks aus einem schmelzbaren Druckmaterial vorgeschlagen.

Gemäß Anspruch 13 verwendet dieses Verfahren bevorzugt eine erfindungsgemäße Einrichtung und weist zumindest die Schritte auf: Ausstoßen von Werkstoffpartikeln, insbesondere mittels eines Trägergases, so dass die Werkstoffpartikel einen vordefinierten Arbeitspunkt beaufschlagen, und Beaufschlagen des Arbeitspunktes mit einem Teilchenstrahl, so dass am Arbeitspunkt befindliche Werkstoffpartikel mit einem Bereits 3D-gedruckten Bereich des herzustellenden Werkstücks verschmolzen oder verklebt bzw. ausgehärtet werden, und vorzugsweise Absaugen von überschüssigen Werkstoffpartikeln aus einer Umgebung des Arbeitspunktes.

Bevorzugt wird der Arbeitspunkt entlang einer vordefinierbaren Bahn bewegt, indem ein Druckkopf entlang der Bahn verfahren wird, der dazu ausgebildet ist (siehe z.B. oben), den jeweiligen momentanen Arbeitspunkt mit den Werkstoffpartikeln sowie dem mindestens einen Teilchenstrahl zu beaufschlagen und ferner überschüssige

Werkstoffpartikel vom jeweiligen Arbeitspunkt abzusaugen, so dass das Werkstück Bereich für Bereich sowie ggf. Schicht für Schicht aufgebaut wird.

In bisherigen 3D-Druckverfahren werden demgegenüber schmelzbare

Werkstoffpartikel großflächig verteilt, wobei das herzustellende Werkstück in der beschränkten Fläche, die in der Regel rechteckig ist, unterbringbar sein muss. Die Partikel werden bei einem solchen konventionellen Verfahren zum Beispiel in einer Schichtdicke von 0,001 mm [Millimeter] bis 0,2 mm aufgeschichtet. In der Regel wird dabei nur ein Bruchteil der aufgeschichteten Partikel für die Fertigung des Werkstücks verbraucht, wobei zur Sicherstellung der schichtweisen Fertigung des Werkstücks die nicht verschweißten beziehungsweise nicht-versinterten Werkstoffpartikel bis zur

Fertigstellung der Werkstücks an Ort und Stelle verbleiben müssen. Somit muss für die Herstellung eines Werkstücks in der Regel ein Vielfaches der tatsächlich benötigten Werkstoffpartikeln vorgehalten werden. Bei dem hier vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren werden die

Werkstoffpartikel des Druckmaterials lediglich an einem wechselnden (z.B. eine Bahn abfahrenden) Arbeitspunkt bereitgestellt und zur Herstellung des Werkstücks, in der Regel schichtweise, mit einer z.B. bereits bestehenden Struktur des herzustellenden Werkstücks am jeweiligen Arbeitspunkt verschmolzen oder verklebt bzw. ausgehärtet. Im Gegensatz zu den vorbekannten selektiven Verfahren werden die Partikel jedoch vorzugsweise nicht an Stellen bereitgestellt, die außerhalb der endgültigen

Außenoberfläche des herzustellenden Werkstückes liegen. Diejenigen

Werkstoffpartikel, welche nicht an dem jeweiligen vorbestimmten Arbeitspunkt bzw. überschüssig dort aufgebracht werden, werden insbesondere vom jeweiligen

Arbeitspunkt abgesaugt bzw. durch eine entsprechende Steuerung der

Werkstoffpartikelzufuhr von vorneherein vermieden.

Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, die bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Es wird dargestellt in

Fig. 1 : eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum SD- Drucken eines Werkstücks;

Fig. 2: eine Seitenansicht der in der Figur 1 gezeigten Einrichtung;

Fig. 3: verschiedene Arbeitslagen des erfindungsgemäßen Druckkopfes in

Seitenansichten;

Fig. 4: die in Figur 3 gezeigten Arbeitslagen in perspektivischer Ansicht; und

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Druckmaterialdüse und die

Absaugdüse gekrümmt verlaufen, um eine kompakte Form der Einrichtung zu erhalten.

In Figur 1 zeigt im Zusammenhang mit den Figuren 2 bis 4 eine Einrichtung 1 zum SD- Drucken eines Werkstücks 6 aus einem Druckmaterial, dass eine Vielzahl an

Werkstoffpartikeln 4 aufweist. Die Werkstoffpartikel 4 weisen vorzugsweise einen Außendurchmesser im Bereich von 0,05 mm bis 10 mm. Es sind auch Außendurchmesser oberhalb von 10 mm denkbar. Als Druckmaterial können z.B. folgende Stoffe verwendet werden:

- pulverförmiges Metall z. B. AI-Legierungen; Edelstahl; Inconel 718;

- pulverförmiger und schmelzfähiger Kunststoff, z. B. Polyamid, Nylon;

- pulverförmige Alumide;

- klebstoffbeschichtete Kunststoffpartikel, z. B. PMMA (Acrylglas);

- tropfenförmige Klebstoffe;

- tropfenförmige, flüssige und aushärtbare Kunststoffe;

- klebstoffbeschichtete Partikel, z.B. klebstoffbeschichtete Styroporkugeln, oder

klebstoffbeschichtete Gasbetonkugeln;

- Zementpartikel.

Die Einrichtung 1 weist einen Druckkopf 2 auf, der mittels eines hier schematisch dargestellten, geeigneten Antriebes 3 (z.B. umfassend drei Linearantriebe sowie zwei Drehantriebe) entlang dreier orthogonaler Raumachsen x, y, z translatorisch bewegbar ist sowie um eine Rollachse R und eine Nickachse N schwenkbar ist. Die jeweiligen möglichen Translations- bzw. Rotationsbewegungen sind in der Figur 1 mittels Pfeilen angedeutet. Der Druckkopf 2 weist eine Druckmaterialdüse 7 auf, die mit einer Einheit verbindbar ist bzw. verbunden ist, die das Druckmaterial sowie ein Trägergas 8 bereitstellt, mit dessen Hilfe die Werkstoffpartikel 4 des Druckmaterials zusammen mit dem Trägergas 88 aus der Druckmaterialdüse 7 strahlförmig ausgestoßen werden. Bei dem Trägergas kann es sich z.B. um Luft oder Stickstoff handeln. Inertgase wie z.B. Argon und Helium sind auch denkbar. Das Trägergas wird bevorzugt mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 20 bis 30 m/s ausgestoßen. Der Druck des Trägergases in der

Druckmaterialdüse 7 liegt bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 20 bar. Bevorzugt liegt der Volumenstrom des Trägergases im Bereich von 0,2 l/s bis 1 l/s. Bevorzugt liegt der Massenstrom der Werkstoffpartikel im Trägergas 8 im Bereich von 5 g/s. Diese Druckbedingungen sind als Beispiel zu verstehen. Andere Druckbedingungen sind auch denkbar.

Die Druckmaterialdüse 7 weist gegenüber einer (hier horizontalen) Druckebene 15, entlang der das herzustellende Werkstück 6 Volumenelement für Volumenelement bzw. ggf. Schicht für Schicht aufgebaut werden kann, eine Neigung auf, wobei die Druckmaterialdüse 7 mit der Druckebene 15 einen spitzen Anströmwinkel W

einschließt. Über die Druckmaterialdüse 7 werden die Werkstoffpartikel 4 auf einen Arbeitspunkt 20 geschossen, an dem die Werkstoffpartikel 4 z.B. mit einem bereits bestehenden Bereich des zu druckenden Werkstücks 6 verschmolzen oder verklebt bzw. ausgehärtet werden.

Der Druckkopf 2 weist weiterhin zwei Strahlenquellen 5 auf, hier in Form von Lasern 5, die jeweils einen Teilchenstrahl in Form eines Laserstrahls 1 erzeugen, wobei diese ebenfalls auf den Arbeitspunkt 20 fokussiert sind.

Weiterhin weist der Druckkopf 2 zumindest eine Absaugdüse 17 auf, wobei vorliegend vorzugsweise zwei Absaugdüsen 17 vorgesehen sind, die jeweils auf den Arbeitspunkt 20 gerichtet sind. Hierbei erstreckt sich eine der Absaugdüsen 17 geneigt zur

Druckebene 15 und schließt mit dieser einen spitzen Absaugwinkel W ein, wobei eine weitere Absaugdüse 17 in Richtung einer Normalen zur Druckebene 15 oberhalb des Arbeitspunktes 20 vorgesehen ist und sich entlang jener Normalen zwischen den beiden Laserstrahlen 1 1 erstreckt, die von den Lasern 5 erzeugt werden. Die beiden Laser 5 sind bevorzugt so zueinander angeordnet, dass die erzeugten Laserstrahlen 1 1 zum Arbeitspunkt 20 hin zusammenlaufen. Es ist zu beachten, dass anstelle der Laserstrahlen 1 auch Elektronenstrahlen 1 1 verwendet werden können (siehe auch oben), um Werkstoffpartikel 4 miteinander bzw. dem Werkstück 6 zu verschmelzen. In diesem Fall wird bevorzugt zwischen dem Druckkopf 2 und dem Werkstück 6 eine Spannung angelegt, die die Elektronen zum Arbeitspunkt beschleunigt. Die beiden Laser bzw. Strahlenquellen 5 sind vorzugsweise so angeordnet, dass die erzeugten Teilchenstrahlen 1 1 in der durch die Nick - bzw. y-Achse und die z-Achse aufgespannten Ebene liegen. Die Absaugdüsen 17 und die Druckmaterialdüse 7 erstrecken sich bevorzugt in der durch die Roll- bzw. x-Achse und die z-Achse aufgespannten Ebene.

Die beiden Laser 5 sind ebenso wie die Druckmaterialdüse 7 und die mindestens eine bzw. die beiden Absaugdüse 17 an einem Träger 9 der Einrichtung 1 festgelegt, der sich längs der Roll- bzw. x-Achse erstreckt, wobei diese Komponenten 5, 7, 17 starr an den Träger 9 gekoppelt sein können oder beweglich. Insbesondere können die besagten Komponenten 5, 7, 17 so am Träger 9 oder aneinander festgelegt sein, dass jede der Komponenten 5, 7, 17 bezüglich der anderen Komponenten entlang einer Anzahl von 0 bis 3 (unabhängigen) translatorischen Achsen und/oder um eine Anzahl von 0 bis 3 rotatorischen Achsen rotierbar ist. Hierdurch können die Strahlenquellen bzw. Laser 5 sowie Druckmaterial- und Absaugdüsen 7, 17 exakt aufeinander bzw. auf einen vordefinierten Arbeitspunkt 20 abgestimmt werden, der dann durch

entsprechendes Bewegen des Druckkopfes 2 mittels des oben beschriebenen Antriebs 3 entlang einer vordefinierten Bahn bewegt wird, entlang der gedruckt wird.

Insbesondere können der Anströmwinkel W und/oder der bzw. die Absaugwinkel W durch die Einrichtung 1 eingestellt, insbesondere gesteuert bzw. geregelt werden.

Figur 5 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Druckmaterialdüse 7 und der

Absaugdüse 17. Hier erstrecken sich die Druckmaterialdüse 7 und die Absaugdüse 17 abschnittsweise parallel zur Strahlenquelle 5 bzw. bei zwei vorhandenen

Strahlenquellen 5 gemäß Figur 1 parallel zur derjenigen Ebene, die durch die beiden Strahlenquellen 5 aufgespannt wird. Hierdurch ergibt sich eine vergleichsweise schlanke Gestalt der Düsenanordnung 7, 17. Um die Öffnungen der beiden Düsen 7, 17 nun auf den Arbeitspunkt 20 ausrichten zu können, weisen beide Düsen 7, 17 einen entsprechend gekrümmten Endabschnitt auf, so dass die Druckmaterialdüse 7 wiederum direkt den Arbeitspunkt 20 mit Druckmaterial bzw. Werkstoffpartikeln 4 beaufschlagen kann und die Absaugdüse 17 ebenfalls dem Arbeitspunkt 20 zugewandt ist, um überschüssiges Druckmaterial 4 abzusaugen.

Zum Drucken des Werkstücks 6 wird der Druckkopf 2 mittels des oben beschriebenen Antriebs 3 entlang einer vordefinierten Bahn verfahren, wobei Werkstoffpartikel 4 mittels der Druckmaterialdüse 7 auf den jeweiligen momentanen Arbeitspunkt 20 geblasen werden, wo sie mittels der Laserstrahlen 11 oder Elektronenstrahlen 11 am jeweiligen Arbeitspunkt 20 zumindest teilweise geschmolzen oder verklebt bzw.

ausgehärtet und dabei mit einem bereits bestehenden Bereich des herzustellenden Werkstücks 6 verschmolzen bzw. verklebt werden. Hierdurch kann das Werkstück 6 Volumenelement für Volumenelement bzw. ggf. Schicht für Schicht entlang oder parallel zu einer in den Figuren 1 und 2 horizontalen Druckebene 15 aufgebaut werden. Es ist aber auch möglich, von einem derartigen schichtweisen Aufbau entlang ein und derselben Ebene abzuweichen, da der Druckkopf 2 aufgrund des Umstandes, dass am jeweiligen Arbeitspunkt 20 im Wesentlichen nur das benötigte Druckmaterial bereitzustellen ist, in allen erdenklichen Raumlagen drucken kann. Überschüssige Werkstoffpartikel 4, die z.B. abseits des Arbeitspunktes 20 auftreffen und nicht mit der dortigen Umgebung verschmolzen werden, werden ggf. mittels der mindestens einen Absaugdüse 17 abgesaugt. Dabei können mit Vorteil abgesaugte Werkstoffpartikel 4 ggf. nach einer Reinigung erneut als Druckmaterial bei dem gleichen Druckprozess (oder bei einem späteren Druckprozess eines anderen Werkstücks) wiederverwendet werden.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Beladung des Trägergases 8 mit

Werkstoffpartikeln 4 gesteuert oder geregelt wird, so dass insbesondere nach

Möglichkeit die Menge an abzusaugendem Druckmaterial so gering wie möglich gehalten werden kann bzw. ein optimaler Mengenstrom an Druckmaterial am jeweiligen Arbeitspunkt 20 bereitstellbar ist. Es ist diesbezüglich denkbar, das

Ausstoßen von Werkstoffpartikeln 4 des Druckmaterials aus der Druckmaterialdüse derart zu steuern oder zu regeln, dass im Wesentlichen keine überflüssigen

Werkstoffpartikel 4 am jeweiligen Arbeitspunkt 20 vorhanden sind und daher auf eine Absaugung von Werkstoffpartikeln vom Arbeitspunkt 20 verzichtet werden kann.

In den Figuren 3 und 4 sind sechs verschiedene, mögliche Ausrichtungen bzw.

Raumlagen eines Druckkopfs 2, wie er zürn Beispiel in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, gezeigt. Hier wird deutlich, dass die Raumlage des Druckkopfs 2 für das

Druckergebnis nicht ausschlaggebend ist und der erfindungsgemäße Druckkopf 2 in jeder erdenklichen Raumlage (auch über Kopf) ein Werkstück 6 drucken kann.

Mit dem hier vorgeschlagenen Druckkopf 2 bzw. 3D-Drucker 1 ist es möglich, große Bauteile mit geringem Materialeinsatz zu fertigen. Darüber hinaus kann die Präzision der Fertigung erhöht und die Notwendigkeit der Nachbearbeitung reduziert oder beseitigt werden. Insbesondere besteht auch die Möglichkeit von einem 3D-Drucken entlang einer vorbestimmten Ebene abzuweichen, da der Druckkopf 2 dreidimensional im Raum positionierbar ist und in allen erdenklichen Raumlagen drucken kann (vgl. Figuren 3 und 4). Die erfindungsgemäße Einrichtung 1 ermöglicht insbesondere auch ein 3D-Drucken im schwerelosen Raum. Bezugszeichenliste

1 Einrichtung (3D-Drucker)

2 Druckkopf

3 Antrieb

4 Werkstoffpartikel des Druckmaterials

5 Strahlenquelle (z.B. Laser)

6 Werkstück

7 Druckmaterialdüse

8 Trägergas

9 Träger

11 Teilchenstrahl (z.B. Laserstrahl)

15 Druckebene

17 Absaugdüse

20 Arbeitspunkt

x, y, z Translationsachsen

R Rollachse

N Nickachse

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung (1) zum 3D-Drucken eines Werkstücks (6) aus einem

Druckmaterial, wobei die Einrichtung (1) einen Druckkopf (2) aufweist, mit:

- einer Druckmaterialdüse (7), die dazu konfiguriert ist, Werkstoffpartikel (4) des Druckmaterials auszustoßen, so dass zumindest ein Werkstoffpartikel einen momentanen Arbeitspunkt (20) beaufschlagt,

- einer Strahlenquelle (5), die dazu ausgebildet ist, einen Teilchenstrahl (11) zu erzeugen und auf den Arbeitspunkt (20) zu richten, so dass das mindestens eine, am Arbeitspunkt (20) befindliche Werkstoffpartikel (4) mit einem bereits 3D-gedruckten Bereich des herzustellenden Werkstücks (6) verschmolzen oder ausgehärtet wird, und

- einer Absaugdüse (17), zum Absaugen von nicht mit dem Werkstück (6) verbundenen Werkstoffpartikeln (4) aus einer Umgebung des

Arbeitspunktes (20).

2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Komponenten des Druckkopfes (2) in Form der Druckmaterialdüse (7), der Strahlenquelle (5) und der Absaugdüse (17) starr miteinander gekoppelt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die

Komponenten des Druckkopfes (2) in Form der Druckmaterialdüse (7), der Strahlenquelle (5) und der Absaugdüse (17) so miteinander verbunden sind, dass jede der Komponenten (5, 7, 17) bezüglich der anderen Komponenten entlang einer Anzahl von 0 bis 3 translatorischen Achsen bewegbar und/oder um eine Anzahl von 0 bis 3 rotatorischen Achsen rotierbar ist.

4. Druckkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) dazu konfiguriert ist, den Druckkopf (2) entlang dreier unabhängiger, insbesondere orthogonaler, translatorischer Achsen (x, y, z) zu bewegen und/oder dass die Einrichtung (1) dazu konfiguriert ist, den Druckkopf (2) um eine Rollachse (R) sowie um eine orthogonal zur Rollachse (R) verlaufende Nickachse (N) zu schwenken.

5. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, die

Werkstoffpartikel (4) zusammen mit einem Trägergas (8) aus der

Druckmaterialdüse (7) auszustoßen, insbesondere derart, dass das Trägergas (8) den Arbeitspunkt (20) von der Umgebungsluft abschirmt und/oder diesen vom Arbeitspunkt (20) verdrängt.

6. Einrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die

Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, eine Beladung des Trägergases (8) mit den Werkstoffpartikeln (4) und/oder eine Ausströmgeschwindigkeit des

Trägergases (8) beim Verlassen der Druckmaterialdüse (7) zu regeln oder zu steuern.

7. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Druckmaterialdüse (7) mit einer Druckebene (15) einen einstellbaren Anströmwinkel (W) einschließt, wobei die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, den Anströmwinkel (W) zu steuern oder zu regeln.

8. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Anspruch 1 , dadurch

gekennzeichnet, dass die Absaugdüse (17) mit einer Druckebene (15) einen einstellbaren Absaugwinkel (W) einschließt, wobei die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, den Absaugwinkel (W) zu steuern oder zu regeln.

9. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, über die Absaugdüse (17) abgesaugte Werkstoffpartikel (4) zu sammeln und/oder zur Druckmaterialdüse (7) zurückzuführen, wobei insbesondere die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, die abgesaugten Werkstoffpartikel (4) vor der Rückführung zur Druckmaterialdüse (7) zu reinigen, insbesondere zu filtern.

10. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) dazu ausgebildet ist, einzelne Werkstoffpartikel (4) gesteuert über die Druckmaterialdüse (7) zum

Arbeitspunkt (20) zu blasen und dort jeweils mit Hilfe des Teilchenstrahls (11 ) mit einem am Arbeitspunkt (20) befindlichen, bereits 3D-gedruckten Bereich des herzustellenden Werkstücks (6) zu verschmelzen oder auszuhärten.

1 1. Einrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Druckmaterialdüse (7) und/oder die Absaugdüse

(17) jeweils einen gekrümmten Verlauf aufweisen.

12. Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (5) eine der folgenden

Strahlenquellen ist: ein Laser, der dazu ausgebildet ist, einen Teilchenstrahl in Form eines Laserstrahls zu erzeugen, eine Elektronenstrahlquelle, die dazu ausgebildet ist, einen Teilchenstrahl in Form eines Elektronenstrahls zu erzeugen,

13. Verfahren zum 3D-Drucken eines Werkstücks (6) aus einem pulverförmigem Druckmaterial, das eine Vielzahl an Werkstoffpartikeln (4) aufweist,

insbesondere unter Verwendung einer Einrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend zumindest die folgenden Schritte: - Ausstoßen von Werkstoffpartikeln (4), insbesondere mittels eines

Trägergases (8), so dass zumindest ein Werkstoffpartikel (4) einen Arbeitspunkt (20) beaufschlagt, und

Beaufschlagen des Arbeitspunktes (20) mit einem Teilchenstrahl (1 1 ), so dass das mindestens eine, am Arbeitspunkt befindliche Werkstoffpartikel (4) mit einem bereits 3D-gedruckten Bereich des herzustellenden Werkstücks

(6) verschmolzen oder ausgehärtet wird, und

- Absaugen von einem oder mehreren nicht mit dem Werkstück (6)

verbundenen Werkstoffpartikeln (4) aus einer Umgebung des

Arbeitspunktes (20).