WO2022268245A1 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen von 3d-formteilen mittels schichtaufbautechnik mittels keilklingenbeschichter - Google Patents

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particulate material
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wedge
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PCT/DE2022/000069
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Bastian HEYMEL
Martin Sinzinger
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Voxeljet Ag
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    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing three-dimensional models using the layered construction technique using a wedge blade.
  • EP 0 431 924 B1 a method for producing three-dimensional objects from computer data is described.
  • a thin layer of particle material is applied to a platform and this is then selectively printed with a binder material using a print head.
  • the particle area printed with the binder sticks together and hardens under the influence of the binder and, if necessary, an additional hardener.
  • the platform is then lowered by one layer thickness into a building cylinder and provided with a new layer of particulate material, which is also printed as described above. These steps are repeated until a certain desired height of the object is reached.
  • a three-dimensional object is created from the printed and solidified areas.
  • This object made of solidified particulate material, is embedded in loose particulate material after its completion and is then freed from it. This is done, for example, by means of a suction cup. What remains are the desired objects, which are then freed from residual powder, e.g. by brushing.
  • the invention relates to a coater suitable for additive manufacturing, comprising a particulate material container (16), an outflow gap (3), preferably arranged horizontally, and a wedge blade (2).
  • the invention relates to a device comprising a coater according to the disclosure and also comprising a solidification means (15), a construction platform, a construction container, supply and removal means for particulate material, heating and cooling means and/or vibration means.
  • the invention relates to a method for producing 3D molded parts, in which particulate material is applied to a construction platform using one or more coaters as disclosed here and the particulate material is selectively solidified using solidification means (15).
  • Figure 1 shows a wedge blade and a wedge blade coater compared to the prior art.
  • FIG. 2 shows a wedge blade coater according to the disclosure.
  • FIG 3 shows the characteristics of blade angle and wedge angle in a coater according to the disclosure.
  • Fig. 4 - Fig. 8 show different forms of the
  • Flow stop mechanism in a coater according to the disclosure shows a preferred embodiment of the coater according to the disclosure.
  • an object on which the application is based is achieved by a coater suitable for additive manufacturing, comprising a particle material container (16), an outflow gap (3), preferably arranged horizontally, and a wedge blade (2).
  • a coater according to the disclosure has a number of advantages over known prior art coaters. Various process parameters can be set during the printing process, thereby increasing product quality and process speed, for example. With a coater and method according to the disclosure, the economics of such 3D printing methods can also be increased.
  • a key aspect is that a wedge blade coater (2) according to the disclosure with a smaller orifice gap (3) provides the same particulate material flow through the coater as a prior art L-blade (1) coater with a larger orifice gap. This forms a smaller powder roll in front of the wedge blade coater of the disclosure. The previously produced layer is not damaged.
  • a wedge blade coater according to the disclosure achieve greater coating speeds than is possible with a prior art coater.
  • the powder roller, the particle material weight and shearing forces can interfere with the particle material layer(s) already applied, which leads to shifts and inaccuracies in the printed image and can even lead to unusable molded parts.
  • the coater according to the disclosure avoids such disadvantages of known blade coaters.
  • 3D molded part within the meaning of the invention are all three-dimensional objects produced by means of the method according to the invention and/or the device according to the invention, which have a dimensional stability.
  • Build space is the locus in which the particulate material bed grows during the build process by repeated coatings of particulate material, or through which the bed passes in the case of continuous principles.
  • the build space is defined by a floor, the build platform, walls, and an open deck surface, the Construction level, limited. With continuous principles, there is usually a conveyor belt and delimiting side walls.
  • job box represents a unit that can be moved in and out of the device and allows batch production, with a job box being moved out after the process has been completed and a new job box can be moved into the device immediately, so that the production volume and thus the device output is increased.
  • particulate materials or “particulate building materials” or “building materials”, in particular polymers, ceramics and metals.
  • the particulate material is preferably dry free-flowing powder, but a cohesive cut-resistant powder or a particle-laden liquid can also be used.
  • particle material and powder are used synonymously.
  • the “particle material application” is the process in which a defined layer of powder is generated. This can be done either on the construction platform or on an inclined plane relative to a conveyor belt with continuous principles.
  • the particle material application is also referred to as “coating” or “recoating” in the following. called.
  • Selective application of liquid within the meaning of the invention can take place after each particle material application or, depending on the requirements of the shaped body and to optimize the production of the shaped body, also irregularly, for example several times based on a particle material application. A sectional image is printed through the desired body.
  • Any known 3D printing device that contains the necessary components can be used as a "device" for carrying out the method according to the invention.
  • the usual components include coater, construction area, means for moving the construction area or other components in continuous processes, dosing devices and heating and irradiation means and other components known to those skilled in the art, which are therefore not detailed here.
  • “Curling” refers to an effect that comes from the layer-by-layer procedure in the described invention. Layers produced in quick succession are each exposed to different shrinkage. The composite is then deformed by physical effects in a direction not coincident with the direction of shrinkage.
  • the building material is always applied in a "defined layer” or “layer thickness”, which is set individually depending on the building material and process conditions. It is, for example, 0.05 to 0.5 mm, preferably 0.1 to 0.3 mm.
  • Porate material application agent or "recoater” or “coater” within the meaning of the invention is an application agent that applies particle material to the construction site.
  • Various parameters can preferably be changed and set individually, which allows an adjustment to e.g binders etc. or travel speed or layer thickness
  • a coater according to the disclosure comprises a wedge blade.
  • Wedge blade within the meaning of the invention is designated in more detail in the figures. It is characterized by different diameters in different areas and preferably has a wedge shape. In contrast, coaters with e.g. an L-blade are known from the prior art.
  • a wedge blade can be characterized by various design features such as a wedge angle (10), an angled surface (17) and a horizontal surface (18), which can be individually modified and combined.
  • the wedge angle (10) that is effective during the coating process is the angle between the angled surface (17 ) and the build plane of the 3D printer. It is the sum of the natural angle of the wedge of the wedge blade and the blade angle (9).
  • the blade angle (9) is the angle between the horizontal plane (18) and the build plane of the 3D printer.
  • the invention relates to a coater suitable for additive manufacturing, comprising a particle material container (16), an outflow gap (3), preferably arranged horizontally, and a wedge blade (2).
  • the disclosure relates to a coater, wherein the wedge blade (2) is characterized by a wedge angle (10), an angled surface (17) and a horizontal surface (18).
  • the angled surface (17) faces the particulate material container (16) and the outflow gap (3).
  • a coater according to the disclosure can further comprise a dosing means, preferably a slide (11), a slit diaphragm (12) or a pivotable slit shutter (14).
  • a dosing means preferably a slide (11), a slit diaphragm (12) or a pivotable slit shutter (14).
  • the particulate material dosing can be done without vibrating means. If no dosing means are provided, the particulate material can be released (dosed) by means of vibration means which are arranged in the coater, on the coater or coupled to the coater and which release particulate material when activated. It is advantageous to switch the outflow of the particulate material by a dosing device or a vibration device.
  • vibratory means may also be provided to provide a combined effect of particulate material discharge and compaction of the particulate material in the powder bed.
  • Vibrating means can also be provided solely to control compaction in the powder bed.
  • a pivoting mechanism may be provided for the coater according to the disclosure.
  • the wedge angle (10) can preferably be from 5° to 60°.
  • the disclosure relates to an apparatus suitable for additive manufacturing and comprising a coater according to the disclosure.
  • the coating from the coater can also take place in layers by the coater being filled from a particulate material reservoir in the volume which essentially corresponds to a particulate material application layer. It is advantageous here if no dosing means is provided in the coater.
  • An embodiment without vibration means can also have advantages, since secondary compaction then does not occur in the powder bed of the applied particle material. Secondary densification is an unwanted densification in the powder bed that is not wanted because it can unintentionally change the planned material characteristics and molded part characteristics. The powder bed is thus secondarily and undirectedly compacted by the vibration of the coater delivery.
  • An embodiment without vibration means can also have the advantage that during coating the previously produced layer is not damaged by vertical movements of the blade that come about during the vibration. This advantage is particularly evident in the production of thin layers.
  • Multiple coaters can also be used in a 3D printing device (see, e.g., Figure 9). If a vibration means is used to control the release of the particulate material from the coater, the vibrations can be superimposed, which can have a negative effect on the printing result and the quality of the molded parts produced.
  • the applied particle material can also be compacted by changing or adjusting the angle of attack of the coater or the wedge blade itself.
  • a positive or negative angle of attack (9) can be advantageous.
  • a negative angle of attack for example, i.e. when the edge of the underside of the blade (18) facing away from the coater gap forms the leveling element, the underside of the blade (18) generates a vertical force on the particles during the coating process, which is pushed through the powder roller into the space between the blade and the construction site to be delivered. The vertical force pushes the particles into the powder bed, increasing packing density.
  • the device according to the disclosure can further comprise a solidification means (15), a building platform, a building container, supply and removal means for particulate material, heating and cooling means and/or vibration means.
  • a solidification means (15) can be provided in a device according to the disclosure, wherein the solidification means can be a print head, a laser and/or a heat source.
  • the disclosure relates to a method for producing 3D molded parts, wherein particle material is applied to a construction platform by means of one or more coaters according to the disclosure and the particle material is selectively solidified by means of solidification means (15).
  • a method according to the disclosure can be characterized in that the application volume of the particulate material that is released from the coater onto the construction platform is dosed by means of dosing means.
  • a method according to the disclosure can be characterized in that the application of the particulate material is controlled by controlling the outflow gap (3), the coater speed (5), the dosing agent, the wedge angle (10) and/or the blade angle (9).
  • a vibratory means for particulate material application can additionally be used.
  • particulate matter compaction on the build site will preferably be controlled by blade angle ( ⁇ ).
  • a method according to the disclosure may be further characterized in that the controlling comprises reducing, increasing or stopping the outflow of particulate material from the coater according to the disclosure and applying the particulate material to the build area.
  • the wedge angle (10) can be adjusted to an angle of 5° to 60° and/or the blade angle (9) can be adjusted to an angle of -10° to +10°.
  • the opening of the dosing means can preferably be adjusted to from 0.5 mm to 60 mm.
  • FIG. 1 illustrates a wedge blade in a coater according to the disclosure and prior art coater embodiments. From this, significant differences in the construction, its mode of operation and advantages of the coater according to the disclosure become clear.
  • FIG. 2 shows an inventive advantage of the wedge blade coater according to the disclosure.
  • the advantage here is, inter alia, that a coater with a wedge blade according to the disclosure with a smaller gap can perform the same particulate material throughput compared to a prior art coater which requires a larger open area.
  • the powder roller Due to its weight and friction, the powder roller exerts a shearing force on the previously printed layer. If the powder roller exceeds a certain limit, the shearing force increases to a value that causes the previously printed layer to shift (damage). The printed parts suffer geometry deformations and thus become unusable, ie rejects.
  • the permissible limit size of the powder roller depends on the powder material. Thus, when using an L-blade according to the prior art, the coating speed (5) cannot be increased beyond a certain value due to these physical constraints.
  • a coater with a wedge blade (2) according to the disclosure gives the same with a smaller outflow gap (3). Particulate material flow through the coater, such as a prior art L-blade (1) coater with larger discharge gap. This forms a smaller powder roll in front of the wedge blade coater of the disclosure. The previously produced layer is not damaged. Thus, by using a wedge blade coater according to the disclosure, greater coating speeds can be achieved than is possible with a prior art coater.
  • the blade angle is an actuator for compaction of the particulate material and can be adjusted and adjusted depending on the process conditions and the particulate material being used.
  • FIGS. 4-8 show different forms of the dosing means in a coater according to the disclosure. However, these are to be understood as examples only and are not exhaustive.
  • Figure 9 shows a preferred embodiment of the invention wherein a printhead is flanked by two coaters in accordance with the disclosure. This makes it possible to further speed up the process, since particle material can be applied in both directions of travel, essentially doubling the process speed.
  • solidifying agent e.g. print head

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Modelle mittels Schichtaufbautechnik mittels einer Keilklinge.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von 3D-Formteilen mittels Schichtaufbautechnik mittels Keilklingenbeschichter
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Modelle mittels Schichtaufbautechnik mittels einer Keilklinge.
In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 Bl wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verklebt und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Plattform um eine Schichtdicke in einen Bauzylinder abgesenkt und mit einer neuen Schicht Partikelmaterial versehen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine gewisse, erwünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt.
Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver z.B. durch Abbürsten befreit werden.
Die Wirtschaftlichkeit von bekannten Verfahren hängt unter anderem von der Schichtzeit ab, mit der die Bauteile produziert werden. Je geringer die
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Bestätigungskopie Schichtzeit ist, desto größer ist die Wirtschaftlichkeit. Ein nicht unerheblicher Teil der Schichtzeit wiederum wird für das Aufträgen des Partikelmaterials benötigt.
Es war deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung konstruktive Mittel bereitzustellen, die ein verbessertes 3D-Druckverfahren erlauben oder zumindest die Nachteile des Standes der Technik zu verbessern oder ganz zu vermeiden.
Es war deshalb eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung konstruktive Mittel bereitzustellen, die eine wirtschaftliche Verbesserung von bekannten 3D-Druckverfahren erreichen oder zumindest die Nachteile des Standes der Technik verbessern oder ganz vermeiden.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Beschichter geeignet für die additive Herstellung umfassend ein Partikelmaterialbehälter (16), einen Ausflussspalt (3), vorzugsweise horizontal angeordnet, und eine Keilklinge (2).
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung umfassend eine Beschichter nach der Offenbarung sowie weiterhin umfassend ein Verfestigungsmittel (15), eine Bauplattform, einen Baubehälter, Zu- und Abführmittel für Partikelmaterial, Heiz- und Kühlmittel oder/und Vibrationsmittel.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei Partikelmaterial mittels einem oder mehreren wie hier offenbarten Beschichter auf eine Bauplattform aufgebracht wird und das Partikelmaterial mittels Verfestigungsmittel (15) selektiv verfestigt wird. Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt eine Keilklinge und einen Keilklingenbeschichter im Vergleich zum Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt einen Keilklingenbeschichter gemäß der Offenbarung.
Fig. 3 zeigt die Kenngrößen Klingenwinkel und Keilwinkel in einem Beschichter gemäß der Offenbarung.
Fig. 4 - Fig. 8 zeigen verschiedene Ausprägungen des
Ausflussstoppmechanismus in einem Beschichter gemäß der Offenbarung. Fig.9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Beschichters gemäß der Offenbarung.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine der Anmeldung zugrunde liegenden Aufgabe gelöst durch einen Beschichter geeignet für die additive Herstellung umfassend ein Partikelmaterialbehälter (16), einen Ausflussspalt (3), vorzugsweise horizontal angeordnet, und eine Keilklinge (2).
Ein Beschichter gemäß der Offenbarung weist eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber bekannten Beschichtern des Standes der Technik auf. Es können verschiedene Verfahrensparameter beim Druckvorgang eingestellt werden und dadurch bspw. die Produktqualität und Verfahrensgeschwindigkeit erhöht werden. Mit einem Beschichter und Verfahren gemäß der Offenbarung kann auch die Wirtschaftlichkeit derartiger 3D-Druckverfahren erhöht werden.
Ein wesentlicher Aspekt ist, dass ein Beschichter mit Keilklinge (2) gemäß der Offenbarung bei kleinerem Ausflussspalt (3) den gleichen Partikelmaterialstrom durch den Beschichter liefert, wie ein Beschichter mit L-Klinge (1) gemäß dem Stand der Technik und größerem Ausflusspalt. Dadurch bildet sich vor dem Beschichter mit Keilklinge gemäß der Offenbarung eine kleinere Pulverwalze aus. Die zuvor produzierte Schicht wird nicht beschädigt. Durch Verwendung eines Beschichters mit Keilklinge gemäß der Offenbarung lassen sich also größere Beschichtungsgeschwindigkeiten erzielen, als dies mit einem Beschichter aus dem Stand der Technik möglich ist. Demgegenüber kann es bei bekannten Klingenbeschichtern zu Interferenzen der Pulverwalze, des Partikelmaterialgewichts und von Scherkräften mit der bereits aufgetragenen Partikelmaterialschicht(en) kommen, die zu Verschiebungen und Ungenauigkeiten in der Druckabbildung führt und so bis hin zu unbrauchbaren Formteilen führen kann. Der Beschichter gemäß der Offenbarung vermeidet derartige Nachteile von bekannten Klingenbeschichtern.
Im Folgenden werden zunächst einige Begriffe der Erfindung näher erläutert.
„3D-Formteil", „Formkörper" oder „Bauteil" im Sinne der Erfindung sind alles mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.
„Bauraum" ist der geometrische Ort in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst oder durch den die Schüttung bei kontinuierlichen Prinzipien durchläuft. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt. Bei kontinuierlichen Prinzipien existieren meist ein Förderband und begrenzende Seitenwände. Der Bauraum kann auch durch eine sogenannte Jobbox ausgestaltet sein, die eine in die Vorrichtung ein- und ausfahrbare Einheit darstellt und eine Batch-Herstellung erlaubt, wobei eine Jobbox nach Prozessabschluss ausgefahren wird und sofort eine neue Jobbox in die Vorrichtung eingefahren werden kann, sodass das Herstellungsvolumen und somit die Vorrichtungsleistung erhöht wird.
Als „Partikelmaterialien" oder „partikelförmige Baumaterialien" oder „Baumaterialien" können alle für den Pulver-basierten 3D Druck bekannten Materialien verwendet werden, insbesondere Polymere, Keramiken und Metalle. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken frei fließendes Pulver, es kann aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver oder eine partikelbeladene Flüssigkeit verwendet werden. In dieser Schrift werden Partikelmaterial und Pulver synonym verwendet.
Der „Partikelmaterialauftrag" ist der Vorgang bei dem eine definierte Schicht aus Pulver erzeugt wird. Dies kann entweder auf der Bauplattform oder auf einer geneigten Ebene relativ zu einem Förderband bei kontinuierlichen Prinzipen erfolgen. Der Partikelmaterialauftrag wird im Weiteren auch „Beschichtung" oder „Recoaten" genannt.
„Selektiver Flüssigkeitsauftrag" kann im Sinne der Erfindung nach jedem Partikelmaterialauftrag erfolgen oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig, beispielsweise mehrfach bezogen auf einen Partikelmaterialauftrag, erfolgen. Dabei wird ein Schnittbild durch den gewünschten Körper aufgedruckt.
Als „Vorrichtung" zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile bei kontinuierlichen Verfahren, Dosiervorrichtungen und Wärme- und Bestrahlungsmittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.
„Deformation" tritt auf, wenn der Körper bei einem physikalischen Prozess eine ungleichmäßige Schwindung erfährt oder durch mechanische Einflüsse wie sie bspw. in Zusammenhang mit der Größe oder dem Gewicht der Pulverwalze auftreten. Damit verbunden sind Qualitätsprobleme und eine verminderte Produktionsrate.
Als „Curling" wird hier ein Effekt bezeichnet, der vom schichtweisen Vorgehen bei der beschriebenen Erfindung kommt. Dabei sind jeweils kurz nacheinander erzeugte Schichten einer unterschiedlichen Schwindung ausgesetzt. Durch physikalische Effekte deformiert sich der Verbund dann in einer Richtung, die nicht mit der Richtung der Schwindung zusammenfällt.
Das Baumaterial wird immer in einer „definierten Schicht" oder „Schichtstärke" aufgebracht, die je nach Baumaterial und Verfahrensbedingungen individuell eingestellt wird. Sie beträgt beispielsweise 0,05 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 mm.
„Partikelmaterialauftragsmittel" oder „Recoater" oder „Beschichter" im Sinne der Erfindung ist ein Auftragsmittel, das Partikelmaterial auf das Baufeld aufbringt. Verschiedene Parameter können vorzugsweise verändert und individuell eingestellt werden, wodurch eine Anpassung an z.B. das verwendete Partikelmaterial, die anderen verwendeten Materialien wie Binder etc. oder Verfahrgeschwindigkeit oder Schichtdicke möglich wird. Ein Beschichter gemäß der Offenbarung umfasst eine Keilklinge.
„Keilklinge" im Sinne der Erfindung ist in den Figuren näher bezeichnet. Sie zeichnet sich durch unterschiedliche Durchmesser in unterschiedlichen Bereichen aus und hat vorzugsweise eine Keilform. Im Gegensatz dazu sind aus dem Stand der Technik Beschichter mit z.B. einer L-Klinge bekannt. Eine Keilklinge kann durch verschiedene konstruktive Merkmale gekennzeichnet werden wie Keilwinkel (10), eine Winkelfläche (17) und eine Horizontalfläche (18), die individuell verändert und kombiniert werden können. Der während des Beschichtungsvorganges wirksame Keilwinkel (10) ist der Winkel zwischen der Winkelfläche (17) und der Bauebene des 3D-Druckers. Er ist die Summe des natürlichen Winkel des Keils der Keilklinge und des Klingenwinkels (9). Der Klingenwinkel (9) ist der Winkel zwischen der Horizontalfläche (18) und der Bauebene des 3D- Druckers.
Die verschiedenen Aspekte der Erfindung werden im Folgenden weiter beschrieben. Die Erfindung betrifft in einem Aspekt einen Beschichter geeignet für die additive Herstellung umfassend ein Partikelmaterialbehälter (16), einen Ausflussspalt (3), vorzugsweise horizontal angeordnet, und eine Keilklinge (2).
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Offenbarung einen Beschichter, wobei die Keilklinge (2) gekennzeichnet ist durch einen Keilwinkel (10), eine Winkelfläche (17) und eine Horizontalfläche (18).
Vorzugsweise ist in dem Beschichter gemäß der Offenbarung die Winkelfläche (17) dem Partikelmaterialbehälter (16) und dem Ausflussspalt (3) zugewandt.
Ein Beschichter gemäß der Offenbarung kann weiterhin ein Dosiermittel, vorzugsweise einen Schieber (11), eine Spaltblende (12) oder einen schwenkbaren Spaltverschluss (14) umfassen.
Es ist in einem Aspekt der Erfindung möglich die Dosierung des Partikelmaterials aus dem Beschichter mit oder ohne Dosiermittel vorzusehen. Wird ein Dosiermittel für das Partikelmaterial verwendet, kann die Partikelmaterialdosierung ohne Vibrationsmittel erfolgen. Sofern kein Dosiermittel vorgesehen ist kann die Partikelmaterialabgabe (- dosierung) mittels Vibrationsmittel erfolgen, das im Beschichter, am Beschichter oder gekoppelt mit dem Beschichter angeordnet ist und bei Aktivierung die Abgabe von Partikelmaterial erfolgt. Vorteilhaft ist den Ausfluss des Partikelmaterials durch ein Dosiermittel oder ein Vibrationsmittel zu schalten.
Ein Vibrationsmittel kann aber auch vorgesehen sein, um einen kombinierten Effekt von Partikelmaterialabgabe und die Verdichtung des Partikelmaterials im Pulverbett zu bewirken. Ein Vibrationsmittel kann auch ausschließlich vorgesehen sein, um die Verdichtung im Pulverbett zu steuern.
Vorzugsweise kann für den Beschichter gemäß der Offenbarung ein Schwenkmechanismus vorgesehen sein. In dem Beschichter gemäß der Offenbarung kann der Keilwinkel (10) vorzugsweise von 5° bis 60° betragen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine Vorrichtung die geeignet ist zur additiven Fertigung und einen Beschichter gemäß der Offenbarung umfasst.
Weiterhin kann die Beschichtung aus dem Beschichter gemäß der Offenbarung auch schichtweise erfolgen, indem der Beschichter aus einem Partikelmaterialreservoir in dem Volumen befüllt wird, das im Wesentlichen einer Partikelmaterialauftragschicht entspricht. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn kein Dosiermittel in dem Beschichter vorgesehen ist.
Auch kann eine Ausführungsform ohne Vibrationsmittel Vorteile haben, da es dann im Pulverbett des aufgetragenen Partikelmaterials nicht zu sekundärer Verdichtung kommt. Sekundäre Verdichtung ist eine ungewünschte Verdichtung im Pulverbett, die nicht gewollt ist, da sich dadurch die geplanten Materialcharakteristika und Formteilcharakteristika ungewollt verändern können. Es wird also durch die Vibration der Beschichterabgabe sekundär und ungerichtet das Pulverbett verdichtet.
Eine Ausführungsform ohne Vibrationsmittel kann weiterhin den Vorteil haben, dass beim Beschichten die zuvor produzierte Schicht nicht durch vertikale Bewegungen der Klinge, die während der Vibration zustande kommen, beschädigt wird. Dieser Vorteil tritt vor allem bei der Produktion von dünnen Schichten zu Tage.
Auch können in einer 3D-Druckvorrichtung mehrere Beschichter Anwendung finden (siehe z.B. Fig. 9). Bei Einsatz eines Vibrationsmittels zur Steuerung der Abgabe des Partikelmaterials aus dem Beschichter kann es zu Überlagerungen der Schwingungen kommen, was sich nachteilig auf das Druckergebnis und die Qualität der hergestellten Formteile auswirken kann.
Das Verdichten des aufgebrachten Partiklematerials kann auch erfolgen durch eine Veränderung bzw. Einstellung des Anstellwinkels des Beschichters oder der Keilklinge an sich. Je nach Partikel material kann ein positiver oder ein negativer Anstellwinkel (9) von Vorteil sein. Im Falle eines negativen Anstellwinkels beispielsweise, also wenn die dem Beschichterspalt abgewandte Kante der Klingenunterseite (18) das nivellierende Element bildet, erzeugt die Klingenunterseite (18) während des Beschichtungsvorganges eine vertikale Kraft auf die Partikel, welche durch die Pulverwalze in den Raum zwischen Klinge und Baufeld geliefert werden. Die vertikale Kraft drückt die Partikel in das Pulverbett und erhöht so die Packungsdichte.
Die Vorrichtung gemäß der Offenbarung kann weiterhin ein Verfestigungsmittel (15), eine Bauplattform, einen Baubehälter, Zu- und Abführmittel für Partikelmaterial, Heiz- und Kühlmittel oder/und Vibrationsmittel umfassen.
In einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung kann ein Verfestigungsmittel (15) vorgesehen sein, wobei das Verfestigungsmittel ein Druckkopf, ein Laser oder/und eine Wärmequelle sein kann.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei Partikelmaterial mittels einem oder mehreren Beschichtern gemäß der Offenbarung auf eine Bauplattform aufgebracht wird und das Partikelmaterial mittels Verfestigungsmittel (15) selektiv verfestigt wird.
Ein Verfahren gemäß der Offenbarung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass das Auftragsvolumen des Partikelmaterials, das aus dem Beschichter auf die Bauplattform abgegeben wird mittels Dosiermittel dosiert wird.
Weiterhin kann ein Verfahren gemäß der Offenbarung, dadurch gekennzeichnet sein, dass das Aufträgen des Partikelmaterials gesteuert wird durch Steuerung des Ausflussspaltes (3), der Beschichtergeschwindigkeit (5), des Dosiermittels, des Keilwinkels (10) oder/und des Klingenwinkels (9). In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann zusätzlich ein Vibrationsmittel zum Partikelmaterialauftrag verwendet werden.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung, wird die Partikelmaterialverdichtung auf dem Baufeld vorzugsweise durch den Klingenwinkel (9) gesteuert werden.
Ein Verfahren gemäß der Offenbarung kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein, dass die Steuerung umfasst die Verminderung, die Erhöhung oder das Stoppen des Partikelmaterialausflusses aus dem Beschichter gemäß der Offenbarung und das Aufträgen des Partikelmaterials auf das Baufeld.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann vorzugsweise der Keilwinkel (10) eingestellt werden auf einen Winkel von 5° bis 60° und/oder der Klingenwinkel (9) kann eingestellt werden auf einen Winkel von -10° bis +10°.
In einem Verfahren gemäß der Offenbarung kann die Öffnung des Dosiermittels vorzugsweise eingestellt werden auf von 0,5 mm bis 60 mm.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die oben ausgeführten Probleme oder Nachteile zumindest vermindert oder ganz vermieden.
In den Figuren sind verschiedene Aspekte der Erfindung beschrieben und werden daraus deutlich wie im Folgenden illustriert ist.
In Fig.l stellt eine Keilklinge in einem Beschichter gemäß der Offenbarung dar sowie Ausführungsformen von Beschichtern des Standes der Technik. Hieraus werden wesentliche Unterschiede in der Konstruktion, seiner Fiunktionsweise und Vorteile des Beschichters gemäß der Offenbarung deutlich.
Fig.2 zeigt einen erfinderischen Vorteil des Beschichters mit Keilklinge gemäß der Offenbarung. Vorteilhaft ist hierbei u.a., dass ein Beschichters mit Keilklinge gemäß der Offenbarung mit einem kleineren Spalt den gleichen Partikelmaterialdurchsatz ausführen kann verglichen mit einem Beschichter gemäß dem Stand der Technik, der einen größeren offenen Querschnitt erfordert. Dies impliziert eine Reihe von Vorteilen. Z.B. bildet sich eine kleinere Pulverwalze, welche die zuvor gedruckten Schichten nicht beschädigt, im Gegensatz zu einer großen Pulverwalze im Stand der Technik.
Die Kausalität hinter diesem Aspekt beruht auf Folgendem: Hohe Beschichtungsgeschwindigkeiten (5) ermöglichen es, die Druckerleistung zu steigern. Damit sinkt die Kennzahl Kosten/hergestelltes Teil und der Drucker wird wirtschaftlicher. Um die Beschichtungsgeschwindigkeit (5) zu steigern ist eine Steigerung des Partikelmaterialstroms (6) aus dem Beschichter nötig. Wird der Partikelmaterialstrom nicht gesteigert, die Beschichtungsgeschwindigkeit hingegen schon, schafft es der Beschichter nicht mehr, das zum Auffüllen der Schicht benötigte Partikelmaterial auf dem Baufeld bereitzustellen. Fehlstellen im Beschichtungsergebnis sind die Folge, wodurch die gedruckten Teile unbrauchbar werden und Ausschuss sind. Um den Partikelmaterialstrom (6) zu steigern, muss bei einer L- Klinge gemäß dem Stand der Technik der Ausflussspalt (3) vergrößert werden. Dies hat zwingend eine Vergrößerung der sich während des Beschichtungsvorgangs vor dem Beschichter bildenden Pulverwalze (4) zur Folge. Die Pulverwalze übt aufgrund ihrer Gewichtskraft und aufgrund von Reibung eine Scherkraft auf die zuvor gedruckte Schicht aus. Überschreitet die Pulverwalze eine gewisse Grenzgröße, dann steigert sich auch die Scherkraft auf einen Wert, der ein Verschieben (Beschädigen) der zuvor gedruckten Schicht zur Folge hat. Die gedruckten Teile erleiden Geometriedeformationen und werden dadurch unbrauchbar, d.h. Ausschuss. Die zulässige Grenzgröße der Pulverwalze ist vom Pulvermaterial abhängig. Bei Verwendung einer L-Klinge gemäß dem Stand der Technik kann also die Beschichtungsgeschwindigkeit (5) aufgrund dieser physikalischen Zwänge nicht über einen gewissen Wert hinaus gesteigert werden. Ein Beschichter mit Keilklinge (2) gemäß der Offenbarung liefert bei kleinerem Ausflussspalt (3) den gleichen Partikelmaterialstrom durch den Beschichter, wie ein Beschichter mit L- Klinge (1) gemäß dem Stand der Technik und größerem Ausflusspalt. Dadurch bildet sich vor dem Beschichter mit Keilklinge gemäß der Offenbarung eine kleinere Pulverwalze aus. Die zuvor produzierte Schicht wird nicht beschädigt. Durch Verwendung eines Beschichters mit Keilklinge gemäß der Offenbarung lassen sich also größere Beschichtungsgeschwindigkeiten erzielen, als dies mit einem Beschichter aus dem Stand der Technik möglich ist.
Fig.3 zeigt die Kenngrößen Klingenwinkel und Keilwinkel. Der Klingenwinkel ist ein Stellglied für die Verdichtung des Partikelmaterials und kann je nach Verfahrensbedingungen und eingesetztem Partikelmaterial eingestellt und angepasst werden.
Fig.4 - Fig.8 zeigen verschiedene Ausprägungen des Dosiermittels in einem Beschichter gemäß der Offenbarung. Diese sind jedoch nur als Beispiele und nicht erschöpfend zu verstehen.
Fig.9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Druckkopf von zwei Beschichtern gemäß der Offenbarung flankiert wird. Dadurch wird eine weitere Verfahrensbeschleunigung möglich, da in beide Verfahrrichtungen Partikelmaterial aufgebracht werden kann und so die Prozessgeschwindigkeit im Wesentlichen verdoppelt wird.
Bezugszeichenliste
Bezugszeichen Bezeichnung
1 Profilklinge (L-Klinge)
2 Keilklinge
3 Ausflusspalt
4 Pulverwalze
5 Beschichtungsgeschwindigkeit
6 Partikelmaterialvolumenstrom
7 Scherkraft auf vorige Schicht
Verschieben von bedrucktem Bereich der vorigen
8 Schicht
9 Klingenwinkel
10 Keilwinkel
11 Schieber
12 Spaltblende
13 Partikelmaterialfüllung
14 schwenkbarer Spaltverschluss
15 Verfestigungsmittel (z.B. Druckkopf)
16 Partikelmaterialbehälter

Claims

Patentansprüche
1. Beschichter geeignet für die additive Herstellung umfassend ein Partikelmaterialbehälter (16), einen Ausflussspalt (3), vorzugsweise horizontal angeordnet, und eine Keilklinge (2).
2. Beschichter nach Anspruch 1, wobei die Keilklinge (2) gekennzeichnet ist durch einen Keilwinkel (10), eine Winkelfläche (17) und eine Horizontalfläche (18), vorzugsweise wobei die Winkelfläche (17) dem Partikelmaterialbehälter (16) und dem Ausflussspalt (3) zugewandt ist oder/und wobei die Vorrichtung weiterhin umfasst ein Dosiermittel, vorzugsweise einen Schieber (11), eine Spaltblende (12) oder einen schwenkbaren Spaltverschluss (14) oder/und wobei der Beschichter einen Schwenkmechanismus umfasst.
3. Beschichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Keilwinkel (10) von 5° bis 60° beträgt.
4. Vorrichtung geeignet zur additiven Fertigung umfassend einen Beschichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 weiterhin umfassend ein Verfestigungsmittel (15), eine Bauplattform, einen Baubehälter, Zu- und Abführmittel für Partikelmaterial, Heiz- und Kühlmittel oder/und Vibrationsmittel, vorzugsweise wobei das Verfestigungsmittel (15) ein Druckkopf, ein Laser oder/und eine Wärmequelle ist.
6. Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei Partikelmaterial mittels einem oder mehreren Beschichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf eine Bauplattform aufgebracht wird und das Partikelmaterial mittels Verfestigungsmittel (15) selektiv verfestigt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Auftragsvolumen des
Partikelmaterials, das aus dem Beschichter auf die Bauplattform abgegeben wird mittels Dosiermittel dosiert wird oder/und wobei das Aufträgen des Partikelmaterials gesteuert wird durch Steuerung des Ausflusspaltes (3), der
Beschichtergeschwindigkeit (5), des Dosiermittels, des
Keilwinkels (10) oder/und des Klingenwinkels (9).
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei zusätzlich ein Vibrationsmittel zum Partikelmaterialauftrag verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die
Partikelmaterialverdichtung auf dem Baufeld durch den
Klingenwinkel (9) gesteuert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Steuerung umfasst die Verminderung, die Erhöhung oder das Stoppen des Partikelmaterialausflusses aus dem Beschichter und das Aufträgen des Partikelmaterials auf das Baufeld oder/und wobei der Keilwinkel (10) eingestellt wird auf einen Winkel von 5° bis 60° und/oder der Klingenwinkel (9) eingestellt wird auf einen Winkel von -10° bis +10°, oder/und wobei die Öffnung des Dosiermittels eingestellt wird auf von 0,5 mm bis 60 mm.
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