WO2023174467A1 - Anordnung und verfahren zum aufträgen von partikelförmigem baumaterial in einem 3d-drucker - Google Patents

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WO2023174467A1
WO2023174467A1 PCT/DE2023/000016 DE2023000016W WO2023174467A1 WO 2023174467 A1 WO2023174467 A1 WO 2023174467A1 DE 2023000016 W DE2023000016 W DE 2023000016W WO 2023174467 A1 WO2023174467 A1 WO 2023174467A1
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particulate building
smoothing
accumulation
blade
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PCT/DE2023/000016
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Frank Wedemeyer
Rudolf Wintgens
Andreas Mössner
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Laempe Mössner Sinto Gmbh
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    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for applying particulate building material in a 3D printer, which has a means for smoothing the particulate building material discharged from a delivery carrier onto a construction area.
  • the invention also relates to a method for applying particulate building material in a 3D printer, wherein particulate building material is applied in layers on a construction area of the 3D printer.
  • the structure is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes.
  • Specifications for the components or workpieces to be printed (3D structures) can, for example, be provided by so-called computer-aided design systems (CAD) in the form of 3D printing data.
  • CAD computer-aided design systems
  • a particulate building material which is also known as a molding material.
  • Building materials or molding materials such as plastics, synthetic resins, ceramics, unsolidified sediments such as minerals or sand and metals are used as materials for such 3D printing processes.
  • particulate building material also referred to as particulate material or powdery building material
  • particulate material or powdery building material to a so-called construction area in order to form a layer of non-solidified particulate material.
  • the partial or full-surface application of particulate building material includes the discharge and smoothing of the particulate building material
  • a particulate building material is generally understood to be an accumulation of individual particles of a substance or a mixture of substances, with each particle having a three-dimensional extent. Since these particles can predominantly be understood as round, oval or even elongated particles, it is possible to specify an average diameter for such a particle, which is usually in the range between 0.01 mm and 0.4 mm. Such a particulate building material can have fluid properties.
  • the method for applying fluids relates in particular to particulate material which is applied to an area to be coated, the fluid being applied to the area in front of a blade, viewed in the direction of forward movement of the blade The area to be coated is applied and the blade is then moved over the applied fluid.
  • the task is to provide a device, a method and a use of the device with which the most even distribution of fluid material on an area to be coated can be achieved.
  • the blade performs an oscillation in the manner of a rotary movement.
  • the oscillating rotary movement of the blade fluidizes the fluid applied to the area to be coated. This not only allows particle material that has a strong tendency to agglomerate to be applied as evenly and smoothly as possible, but it is also possible to influence the compression of the fluid through the vibration.
  • the fluid is applied to the area to be coated in excess.
  • the excess fluid seen in the direction of forward movement of the blade, is homogenized in front of the blade in a roller formed from fluid or particulate material by the forward movement of the blade. This allows any cavities between individual particle clumps to be filled and larger clumps of particle material to be broken up by the roller movement.
  • JP 6 380 948 B2 deals with the provision of a powder material feed for a three-dimensional molding system that produces three-dimensionally shaped products from powder material.
  • the molding equipment is capable of suppressing the occurrence of irregularities in a powder material layer and molding an accurately shaped product at a higher speed than before.
  • a powder material feed which has an outlet from which a powder material is discharged onto a molding table, and a smoothing element which is arranged behind the outlet in the direction of movement of the powder material feed.
  • the smoothing element creates a powder material layer with a predetermined thickness of the powder material discharged from the outlet onto the molding table on the molding table.
  • a method and a device for producing three-dimensional components are known.
  • the task to be solved is to provide a method and a device which check a safe process flow or, according to a preferred embodiment, also regulate it.
  • a measurement of an excess amount of particulate material is carried out. It is also disclosed that the measurement takes place at the end and/or during a coater journey, the measurement being carried out in a spatially resolved manner and preferably over an entire coater width.
  • US 2004/0 173 946 A1 discloses a method for producing three-dimensional bodies from particles using layer-building processes (powder-based generative rapid prototyping processes), the layer structure being monitored by an optical control device.
  • the task to be solved is to provide a process that enables the quality control of the applied layers before or after curing and from which repair measures can be derived.
  • Particularly suitable particles or binder liquids should be identified for this purpose and a suitable control device should be specified.
  • it is provided to record an optical image of the applied, smoothed and/or hardened layer using the control device.
  • the image of the layer is processed in such a way that defects arranged in the layer plane, in particular particle defects or particle layer defects, as well as construction defects, can be detected.
  • Particle defects mean both an excess and a deficiency of particles in the layer.
  • JP 2001-9 921 A relates to a stereolithography apparatus for producing a three-dimensional resin model by selectively curing a photocurable resin by irradiation with light.
  • the problem to be solved is to provide a stereolithography device which is capable of producing a highly accurate mold model.
  • a smoothing part with a support section, a storage and conveying section and a scraping section is provided, the smoothing part having a movement speed can be moved over a resin surface.
  • excess uncured resin is scraped off and subsequently transported through the storage and conveying section. This material can be sucked out using a suction device.
  • US 2019/0 193 150 A1 describes a system and a corresponding method for the additive manufacturing of a three-dimensional object to improve the packing density of a powder bed used in the manufacturing process.
  • the system and corresponding process enable higher density packing of the powder.
  • Such higher density packing results in better mechanical interlocking of the particles, resulting in lower sintering temperatures and less deformation of the 3D object during sintering.
  • One embodiment of the system includes means for adjusting a volume of powder metered onto a surface of the powder bed to produce an adjusted metered volume. Further disclosed are means for distributing the adjusted metered volume to create a smooth volume for forming a smooth powder layer with controlled packing density over the surface of the powder bed.
  • the controlled packing density enables uniform shrinkage without warping of the 3D object during sintering to produce higher quality 3D printed objects.
  • the delivery carrier described in DE 10 2018 003 336 A1 is moved horizontally over the construction area.
  • the discharger described here as an example is a so-called fluidizer, in which the particulate building material exits through an outlet and reaches the surface of the construction area as a discharge in order to form a new layer of particulate building material with a specified layer thickness.
  • a means for smoothing the layer of particulate building material such as a blade, is usually used.
  • the discharger has a funnel-shaped storage container for storing the particulate building material and an opening or an outlet for discharging the particulate building material, which is arranged in the lower region of the discharger. Furthermore, outlet means are arranged in the lower area of the funnel-shaped storage container, which prevent particulate building material from unintentionally getting from the contractor onto the construction site.
  • Applying a new layer of the particulate building material to the construction area is achieved by releasing the particulate building material in the area of the outlet means.
  • the discharger is moved over the construction area and a new layer of the particulate building material is applied to the construction area.
  • the particulate building material applied in this way is smoothed or smoothed and solidified by a means for smoothing the layer of the applied particulate building material, such as with a blade, with an accumulation of the excess particulate building material being formed in front of this means.
  • the height and shape of this accumulation are determined by the amount of particulate building material over-applied by the dispenser.
  • a means for smoothing the layer of applied particulate building material such as a blade
  • the blade and the accumulation of the material that forms in front of this blade too much particulate building material discharged forces that act on the subsurface.
  • This subsurface consists, for example, of several layers of the already discharged particulate building material, which is already selectively solidified in partial areas that are intended to form the 3D structure to be created. The magnitude or the amount and direction of these forces acting on the subsurface vary locally.
  • the amount of these forces depends, for example, on the inclination of the blade, on the height of the accumulation, which can be different at different points of the accumulation, on the speed of movement of the blade over the construction area and on the grain size and distribution of the particulate building material. This means that different forces act on the subsurface at different points, preferably under the accumulation.
  • Such forces generally have a horizontal component and a vertical component.
  • the horizontal component which is referred to as force F H , acts parallel to the surface of the construction area in a region of the last applied layer of particulate building material.
  • the force F H is caused by the horizontal movement of the smoothing agent, such as a blade.
  • the vertical component which is referred to as force F v , acts perpendicular to the surface of the construction area or perpendicular to the last applied layer of particulate building material.
  • the force F v is caused by the weight of the particulate building material, in particular the particulate building material located in the accumulation. In practice, the forces FH and F v are superimposed and a resulting force FR is created.
  • This resulting force FR is directed at an angle to the surface of the construction field or the perpendicular, which is determined by the proportions of the forces F H and Fv and can be different at different points in the collection, in particular along the longitudinal extent of the collection. Likewise, the magnitude of the resulting force FR can be different at different points.
  • a further problem can be caused by excessive frictional forces between the particles of the particulate building material themselves or between the particles of the particulate building material and a blade of a smoothing agent, as this can lead to impermissible point heating, which, for example, affects the physical properties of the particulate building material to be influenced.
  • a further disadvantage of the known prior art when applying particulate building material in a 3D printer is that the accumulation of particulate building material after passing over the construction field is usually no longer available in the currently running manufacturing process when generating the 3D structure stands. Particulate building material that is still in the accumulation after crossing the construction site can, for example, be collected in a collecting container. In order to feed this collected particulate building material back into the manufacturing process, several process steps are usually necessary.
  • the object of the invention is to provide an arrangement and a method for applying particulate building material in a 3D printer, with which the forces acting on already applied layers of the particulate building material as well as partially already solidified areas of the particulate building material when applying a further layer of the particulate building material can be reduced.
  • the method generally provides that in a work step of smoothing the particulate building material discharged by a delivery person onto the surface of the construction area, which accumulates in the accumulation in front of the smoothing means, this particulate building material is at least partially removed or discharged from the accumulation and is returned to a storage container of the delivery company.
  • a correspondingly suitable means is provided for removing or discharging the particulate building material from the accumulation.
  • control according to the method is carried out in such a way that only excess particulate building material, which is not required to form a minimum necessary height Hmin of the accumulation, is removed or discharged from the accumulation and returned to the delivery container's storage container.
  • the minimum necessary height H m in the accumulation is the height H of the accumulation that is required in order to be able to apply a layer of the particulate building material evenly, with a specified layer thickness and without defects.
  • the amount of excess particulate building material removed from the accumulation is regulated depending on the amount of particulate building material discharged by the discharger.
  • the amount of excess particulate building material i.e. the proportion of particulate building material that is not required for the proper formation of a new layer of particulate building material, depends on the amount of particulate building material discharged from the discharge onto the surface of the construction area.
  • the excess particulate building material removed or discharged from the accumulation can thus be regulated depending on the amount of particulate building material discharged.
  • it is provided that the amount of excess particulate building material removed or discharged from the accumulation is regulated depending on the height H of the accumulation.
  • a means for removing or discharging the particulate building material from the accumulation can be implemented in different ways.
  • suitable suction means, brushes, squeegees, blades, shovels or tubs can be provided, which partially remove or remove particulate building material from the accumulation.
  • mechanical conveyor systems such as a belt conveyor system, a bucket elevator system, a screw system, a spiral conveyor system or a vibratory conveyor system can be used to transport the particulate building material removed or discharged from the accumulation into a storage container of the discharger.
  • pneumatic conveying systems such as pressure conveying, suction conveying, suction-pressure conveying or plug or dense phase conveying can be used to transport the particulate building material removed or discharged from the accumulation into a storage container of the discharger.
  • the invention is described below using the example of a suction means which removes particulate building material from the accumulation, which does not represent a limitation of the invention to this embodiment of the means for removing or removing the particulate building material from the accumulation.
  • the height H and the shape of the accumulation are determined by the amount of particulate building material applied to the surface of the construction area by the discharger.
  • the height H can, for example, be detected optically and cause the suction to be regulated in such a way that a predetermined height H of the accumulation is reached, which corresponds to a minimum necessary height H min of the accumulation that is necessary to uniformly coat a layer of the particulate building material to be able to apply a fixed layer thickness and without defects.
  • the amount of excess particulate building material removed or sucked out of the accumulation depends on a layer created below the layer produced in the smoothing step lying layer or several layers, which can have so-called critical areas, is regulated.
  • critical areas Areas in which there is a risk that applying and smoothing the particulate building material in the current layer will lead to errors in the construction of the 3D structure in a layer below are referred to as critical areas. Such errors are understood to mean in particular a tearing and/or displacement of areas or partial areas of the 3D structure to be created.
  • Such critical areas are also areas in which a partial structure of the 3D structure to be created is to be applied to small partial structures of an underlying layer.
  • Such small substructures arise, for example, when dimensions of the substructures arranged in layers one above the other are so small that, for example, in a stack-like structure of these substructures, only low mechanical strengths can be expected.
  • Such low strengths have partial structures with the lowest possible dimensions, for example in the range of a length of 0.1 mm and a width of 0.1 mm up to dimensions in the range of a length of 5 mm or more and a width of 5 mm or more . These dimensions depend on the molding material, the processing speed of the molding material and the fluid properties.
  • such critical areas can also include part of a current layer or be a complete layer, for example due to the complex or complicated 3D structure to be manufactured or a poorly adherent subsurface underneath the current layer, such as the surface of the construction area.
  • the amount of excess particulate building material removed from the accumulation is reduced again, for example to a height H of the accumulation as before the critical area was reached.
  • This change in the height H of the accumulation in the critical areas can be coupled in time with a reduction in the speed of the 3D printer's work equipment in these critical areas.
  • an applicator and/or a means for smoothing is moved over the surface of the construction area at a reduced speed and at the same time the height H of the accumulation is reduced to a minimum.
  • This reduction in the height H of the collection taking into account the minimum necessary height Hmin of the collection, can take place shortly before the critical area is reached.
  • an appropriate lead time or distance is set, for example between the client and the critical area.
  • An increase in the height H of the accumulation when leaving the end of the critical area can be delayed by means of a follow-up time or a fixed distance between the critical area and the applicant.
  • the excess particulate building material of the accumulation is picked up by a suction in front of the means for smoothing, such as a blade, the means for smoothing the particulate building material having a gap-shaped opening in the longitudinal extent of the blade, through which the excess particulate material is sucked out of the accumulation and returned to the delivery container's storage container.
  • the blade is partially hollow, with the blade having a gap-shaped opening for suctioning off the excess particulate building material and one or more openings for forwarding the particulate building material to a storage container for the particulate building material.
  • the one or more openings are connected to a controllable means for generating a negative pressure, which can be arranged in the smoothing means. Due to the negative pressure generated along the gap-shaped opening provided in the longitudinal extent of the blade, which is aligned in the direction of the accumulation, the excess particulate building material is sucked out of the accumulation.
  • the blade is made in two parts consisting of a blade base body and a blade plate, with the gap-shaped opening facing the collection being formed between the blade base body and the blade plate.
  • a cavity is created between the blade base body and the blade plate, which has the gap on the input side and which is connected to a suction on the output side.
  • the term is used on the input side for an input used, through which the excess particulate building material from the accumulation passes into the hollow means for smoothing.
  • the term output side is used for an output through which the excess particulate building material is transported from the smoothing means, for example via a suction and a corresponding connection, to the delivery container's storage container.
  • the blade plate is arranged to be changeable in its gap-forming distance from the blade base body. Such a change in the distance can occur, for example, when adjusting the blade before operation in the 3D printer, with the blade plate being attached mechanically accordingly.
  • the attachment of the blade plate is provided in such a way that it can be moved or adjusted by suitable means for moving the blade plate, with the distance to the blade base body changing. This shift or change in the gap size can also take place during ongoing operation of the 3D printer by the means for moving the blade plate.
  • the parameters of the size of the negative pressure generated or a suction power and the size of the gap in the blade are available to influence the amount of particulate material to be sucked out of the accumulation.
  • such a hollow blade consisting of a blade base body and, for example, an adjustable blade plate, has a blade pocket arranged in the blade base body, which represents an area within the blade, which is below a lower edge of the gap formed in the blade and within the blade is trained.
  • a blade pocket arranged in the blade base body, which represents an area within the blade, which is below a lower edge of the gap formed in the blade and within the blade is trained.
  • the excess particulate building material of the accumulation in front of the blade is received through a gap-shaped opening in the longitudinal extent of the blade, the blade having a blade base body and a blade plate and a blade cutting edge being arranged on the blade base body.
  • the blade is designed to be partially hollow, with the blade having a slit-shaped opening arranged above the blade edge for suctioning off the excess particulate building material and one or more outlet-side openings for forwarding the particulate building material to a storage container for the particulate building material.
  • the blade cutting edge is arranged in the lower area of the blade base body and is positioned with its deepest point or with its lower edge above the construction area in such a way that when the blade moves with its blade cutting edge over the construction area below the blade, a new layer of the applied particulate building material with a predetermined and desired layer thickness results.
  • the excess particulate building material is conveyed over the top of the blade to the longitudinal opening with the adjustable gap size in the direction of particle movement via the suction and the connection to a storage container of the discharger.
  • a particular advantage of this design is that the blade cutting edge, which wears out during ongoing operation of the 3D printer, can be replaced separately. Without this blade edge in front of the blade base body, there will be signs of wear on the blade base body, which then has to be replaced alone or together with the blade plate.
  • the wedge-shaped blade edge has a thickness at its thinnest point, which projects furthest from the blade base body to which it is attached, which is between 0.01 mm and 1.5 mm, preferably between 0.07 mm and 0.3 mm, is.
  • the smoothing means has a guide profile on both sides or ends.
  • the guide profile can be arranged on the blade plate and mechanically connected to it.
  • the guide profile has, for example, a triangular lateral boundary with which the guide profile protrudes from the blade plate and which forms a lateral boundary for the accumulation that forms during operation of the 3D printer.
  • the guide profile can also have a triangular base plate aligned parallel to the surface of the construction area, which forms a gradual transition between the guide profile and the means, in particular the blade plate.
  • the height H of the accumulation can be, for example, more than 10 mm depending on the travel speed of the smoothing means, such as a blade, over the construction area and the amount of particulate building material applied.
  • this height H can be reduced to a significantly smaller value, which is 8 mm, preferably 5 mm, more preferably 2 mm.
  • the accumulation can be almost completely avoided, so that it only has a height H of, for example, 0.5 mm, preferably 0.3 mm, which corresponds to the average particle size of the particulate building material , more preferably 0.15 mm.
  • Fig. 2 a perspective view of an accumulation of the particulate building material on a construction site
  • Fig. 3 an exemplary distribution of forces that act on the subsurface when a means, such as a blade, moves over a construction area
  • Fig. 4 an arrangement with a means for removing or discharging the particulate building material from the accumulation after State of the art
  • Fig. 6 a further arrangement according to the invention with a suction for suctioning excess particulate building material from the accumulation
  • Fig. 8 the means according to the invention from Figure 7 in a view from above
  • Fig. 9 a return of the excess particulate building material from an accumulation into the storage container, shown as an example of the prior art.
  • Figure 1 shows an exemplary arrangement 1 for discharging the particulate building material 2 in a 3D printer according to the prior art. Such an arrangement 1 is also referred to as a delivery carrier 1.
  • This arrangement 1 for discharging the particulate building material 2 is exemplary and can be replaced by other means with the same effect without affecting the essence of the present invention.
  • the delivery carrier 1 can be moved horizontally over a construction area 3 in the direction of movement shown by arrow 4.
  • the discharger 1 is shown in a snapshot in which particulate building material 2 emerges from a storage container 8 through an outlet 5 and reaches the surface of the construction field 3 as a discharge 6 in order to form a new layer of particulate building material 2 there with a fixed layer thickness 7.
  • a means 9 for smoothing the layer of particulate building material 2, such as a blade is usually also used.
  • the discharger 1 has a funnel-shaped storage container 8 for storing the particulate building material 2.
  • This funnel-shaped storage container 8 is designed to extend longitudinally across the width of the construction area 3, with its length being a multiple of its width.
  • the storage container 8 has an opening or an outlet 5.
  • An outlet means not shown in FIG. 1, is arranged at the outlet 5 and is used to prevent particulate building material 2 from unintentionally reaching the construction site 3.
  • the particulate building material 2 to the construction area 3 is achieved by controlling the outlet means in such a way that the particulate building material 2 is released in the area of the outlet 5, whereby the particulate building material 2 is discharged via the outlet 5, forming the discharge 6, reached construction site 3.
  • the delivery carrier 1 is moved over the construction area 3 in the direction of movement shown by the arrow 4 and a new layer of the particulate building material 2 is applied to the construction area 2.
  • the particulate building material 2 applied in this way is smoothed or smoothed and solidified by a means 9 for smoothing the layer of the applied particulate building material 2, such as with a blade.
  • the means 9 for smoothing is also moved over the construction area 3 in the direction of movement shown by arrow 4, whereby the speed of movement of the delivery carrier 1 and the means 9 for smoothing over the construction area 3 can be the same.
  • the outlet means is controlled accordingly, as a result of which, for example, more fluidized particulate building material 2 can exit through the outlet 5 and the size or quantity of an accumulation 10 of particulate building material 2 that forms in front of the means 9 for smoothing increases .
  • the outlet means can be controlled in such a way that the same amount or less particulate building material 2 is discharged. This achieves that the size or quantity of the accumulation 10 of particulate building material 2 forming in front of the smoothing agent 9 remains the same or decreases.
  • Figure 1 shows a representation of a side view of an accumulation 10 of the particulate building material 2 on a construction area 3 in a 3D printer from the prior art.
  • the means 9 for smoothing the discharged particulate building material 2 is shown by way of example as a blade and is moved over the construction field 3 in the direction of movement shown by the arrow 4.
  • An accumulation 10 of the particulate building material 2 forms in front of the means 9 for smoothing the discharged particulate building material 2.
  • the area encompassed by the collection 10 is shown surrounded by a dash-dash line in FIG. 1 for better understanding.
  • the collection 10 shown in Figure 1 has a depth T 11, a width B 12 and a height H 13.
  • the width B 12 of the collection 10, not shown in FIG. 1, extends, so to speak, into the depth of the illustration in FIG.
  • the quality of the layer currently being applied may deteriorate and thus the accuracy of the 3D structure to be generated may be influenced.
  • the reason for this may be an increasing force on underlying layers of the particulate building material 2.
  • An impermissibly high force leads, for example, to uneven sagging or compaction of individual areas in a layer or in several layers of the applied particulate building material. as 2.
  • the impermissibly high force can influence the density of partial areas of one or more underlying layers.
  • already solidified areas that are intended to form the 3D structure can also be influenced. Such an influence leads to deviations in the dimensional accuracy of the 3D structure to be created, for example by compressing or moving such an already solidified area.
  • the present method smooths the amount or the volume or the height H 13 of the accumulation 10, for example over the length of the means 9 or the width B 12 of the collection 10 is kept constant or regulated to a defined value.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a collection 10 of the particulate building material 2 on a construction area 3 in a 3D printer according to the prior art.
  • FIG. 2 shows a section of the accumulation 10 consisting of particulate building material 2 above the construction area 3 in a perspective view.
  • the collection 10 is shown in front of a means 9 for smoothing, viewed in the direction of movement of the means 9 for smoothing shown by arrow 4.
  • a means 9 for smoothing is, for example, a blade by means of which the particulate building material 2 is smoothed or smoothed and compacted.
  • Figure 2 also shows the dimensions width B 12, depth T 11 and height H 13 of the collection 10.
  • the dimensions depth T 11 and height H 13 can vary in the width of the blade 9 and the width B 12 of the collection 10, respectively, which in Figure 2 is not shown.
  • Figure 3 shows an exemplary distribution of forces which act on the subsurface when a means 9 for smoothing, such as a blade, moves over a construction area 3.
  • a means 9 for smoothing such as a blade
  • FIG. 3 reference is made to the description of FIGS. 1 and 2, in which the components shown again in FIG. 3 have already been explained.
  • the means 9 for smoothing is moved horizontally over the surface of the construction area 3, for example in the direction of movement shown by the arrow 4.
  • An accumulation 10 forms in front of the blade 9 due to the excess particulate building material 2 being discharged.
  • Such forces generally have a horizontal component and a vertical component.
  • the horizontal component which is referred to as force F H , acts parallel to the surface of the construction area 3 in an area of the last applied layer of the particulate building material 2.
  • the force F H is caused by the horizontal movement of the means 9 for smoothing, such as a blade. caused.
  • the vertical component which is referred to as force F v , acts perpendicular to the surface of the construction area 3 or perpendicular to the last applied layer of particulate building material 2.
  • the force F v is determined by the weight of the particulate building material 2, in particular that in the accumulation 10 located particulate building material 2.
  • the forces F H and F v are superimposed and a resulting force FR is created.
  • This resulting force FR is directed at an angle between 0° and 90° to the surface of the construction area 3 or a perpendicular not shown in FIG. 3, which is determined by the proportions of the forces F H and F v and at various points of the collection 10 , in particular along the width 12 of the collection 10, can be different.
  • the magnitude of the resulting force FR can be different at different points.
  • the resulting force FR is shown by means of an arrow, for example, at an angle of approximately 30° to the surface of the construction area 3.
  • Figure 4 shows an arrangement with a means for removing or discharging the particulate building material 2 from the accumulation 10 according to the prior art.
  • the means for removing or discharging the particulate building material 2 is a suction 15 for suctioning particulate building material 2 from the accumulation 10, which is partially shown by means of a dash-dash line.
  • the suction 15 is, viewed in the direction of movement 4 of a means 9 for smoothing, arranged in front of the means 9 for smoothing the particulate building material 2, such as a blade 9, and above the accumulation 10.
  • the accumulation 10 which has a depth 11 and a height 13, forms in front of the blade 9, which is moved in the direction of arrow 4 over the construction area 3.
  • the suction 15 has a connection 16.
  • the suction 15 can contain a means 17 for generating a controllable negative pressure, which is not shown in FIG.
  • the suction 15 is connected via the connection 16 to a means 17 for generating an adjustable negative pressure.
  • the negative pressure generated by the means 17 for generating a controllable negative pressure causes excess particulate building material 2 to be sucked out of the accumulation 10 in the direction 18 of particle movement shown by several parallel arrows.
  • the structural unit, consisting of the suction 15 and the connection 16, can be changed in its distance from the accumulation 10 or from the surface of the construction area 3, which is shown by a double arrow in Figure 4 5 shows a first arrangement according to the invention with a suction 15 for suctioning excess particulate building material 2 from the accumulation 10.
  • the means 9 for smoothing moves in the direction of movement shown by arrow 4 over the construction area 3, whereby the accumulation 10 forms in front of the means 9 for smoothing.
  • the means 9 for smoothing is made in two parts and consists of an L-shaped blade base body 19 and a movable blade plate 20. It is also intended that the blade plate 20 is movable in the directions shown by the double arrows. The movement or displacement of the blade plate 20 is achieved by a suitable means for moving the blade plate 20 in the directions shown by double arrows, this means not being shown in FIG. A change in the gap size of the gap 22 can thus be carried out automatically by moving or displacing the blade plate 20.
  • the blade base body 19 is L-shaped and has a blade pocket 21, which is formed inside the two-part blade 9 in an area that is deepest or has a smaller distance from the surface of the construction area 3 than a lower edge 24 of the blade base body 19 the location of the gap 22 that is forming. In the event that excess particulate building material 2 sucked in through the gap 22 cannot be transported away by the suction 15 via the connection 16 due to gravity and falls back towards the construction area 3, it will be in the blade pocket 21 and does not slip back over the gap 22 into the accumulation 10.
  • the lowest point of the blade pocket 21 lies at a distance 23 below the lower edge 24 of the blade base body 19 at the location of the gap 22 that forms.
  • this lower edge 24, which extends parallel to the surface of the construction area excess particulate material is sucked out of the collection 10 at all points of its longitudinal extent or width B 12, even at different heights H 13 of the collection 10, if the collection 10 is higher at least in certain points is the minimum necessary height H mjn .
  • the distance A of the blade base body 19 is provided, for example, such that the distance A corresponds to the minimum necessary height H min .
  • the collection 10 has a uniform height H 12 along its longitudinal extent or width B 12, which also leads to a uniform distribution of the resulting forces FR acting on layers of the particulate building material 2.
  • These uniformly acting resultant forces FR lead to an improvement in the quality of the 3D structure to be created, which therefore has smaller deviations or improved dimensional accuracy.
  • FIG. 6 shows a further arrangement according to the invention with a suction 16 for suctioning excess particulate building material 2 from the accumulation 10.
  • the means 9 for smoothing is moved over the construction area 3 in the direction of movement shown by arrow 4, with the accumulation 10 forming in front of the means 9 for smoothing.
  • the means 9 for smoothing is made in two parts and consists of an L-shaped blade base body 19 and a movable L-shaped blade plate 20. It is also intended that the blade plate 20 is movable in the directions shown by the double arrows. The movement or displacement of the blade plate 20 is achieved by a suitable means for moving the blade plate 20 in the directions shown by double arrows, this means not being shown in FIG. 6. A change in the gap size of the gap 22 can thus be carried out automatically by moving or displacing the blade plate 20.
  • the blade plate 20 has a blade pocket 21, which is formed inside the blade 9. In the event that excess particulate building material 2 sucked in through the gap 22 due to the Gravity cannot be transported away by the suction 15 via the connection 16 and falls back towards the construction area 3, it is received in the blade pocket 21 and does not slip back over the gap 22 into the accumulation 10.
  • the embodiment shown in Figure 6 has a blade cutting edge 25, which is arranged in the lower region of the blade base body 19.
  • the blade edge 25 is positioned with its deepest point or with its lower edge above the construction field 3 in such a way that when the blade 9 moves with its blade edge 25 over the construction field 3, a new layer of the applied particulate building material 2 is below the blade edge 25 with a predetermined and desired layer thickness 7 results.
  • the excess particulate building material 2 is conveyed over the top of the blade cutting edge 25 to the longitudinal opening with the adjustable gap size 22 in the direction 18 of the particle movement via the suction 15 and the connection 16 to a storage container 8, not shown, of the discharger 1.
  • the blade cutting edge 25 arranged on the blade base body 19 is fastened in such a way that it can be replaced separately if necessary if appropriate wear occurs.
  • Figure 7 shows a means 9 according to the invention for smoothing in a perspective view.
  • the means 9 for smoothing is only shown with the components that are essential for explanation.
  • the means 9 for smoothing moves horizontally in the direction of movement 4 shown by the arrow over a construction area 3, not shown.
  • the means 9 for smoothing also has a blade base body 19 and a blade plate 20, i.e. a two-part design.
  • the longitudinally extending gap 22 is formed between the blade plate 20 and the L-shaped blade base body 19.
  • the excess particulate building material 2 (not shown) is sucked off via this gap 22, with the particles moving in the direction 18 of particle movement shown by the arrows.
  • the suction 15 and the connection 16, via which the extracted excess particulate building material 2 leaves the means 9 for smoothing and reaches the storage container 8, are not shown to simplify the illustration.
  • the means 9 for smoothing has a guide profile 26 on both sides or ends .
  • the collection 10 is limited laterally and prevents the collection 10 from having a lower height H 13 in the edge areas, since the particulate building material 2 can fall or trickle down from the construction area 3 in these edge areas. In this way, the losses of particulate building material 2 are also minimized when the smoothing agent 9 passes over the construction area 3.
  • the blade plate 20 can be moved and the gap size of the gap 22 can be adjusted in this way. This possibility is not shown in Figure 7.
  • the blade base body 19 or the blade plate 20 can have a blade pocket 21.
  • Versions in which a blade cutting edge 25 is arranged at the lower end of the blade base body 19 are also possible.
  • FIG 8 the means according to the invention from Figure 7 is shown in a view from above.
  • the blade base body 19 and the blade plate 20 can be seen, which together form the means 9 for smoothing.
  • the guide profiles 26 are arranged, which laterally limit the collection 10, not shown. This prevents the particulate building material 2 located in the accumulation 10 from leaving the building field 3 on the sides and is therefore no longer available for the 3D printing process.
  • the guide profile 26 can be arranged on the blade plate 20 or on the blade base body 19 and mechanically connected to it.
  • the guide profile 26 has, for example, a triangular lateral boundary with which the guide profile 26 protrudes from the blade plate 20 and which forms a lateral boundary for the accumulation 10 that forms during operation of the 3D printer.
  • the guide profile 26 can also have a three-dimensional structure aligned parallel to the surface of the construction area 3. have a corner-shaped base plate, which forms a gradual transition between the guide profile 26 and the means 9 for smoothing, in particular the blade base body 19.
  • 9 shows the return of the excess particulate building material 2 from a collection 10 into the storage container 8 using the prior art as an example. 9 is not to scale and does not show any real distances between the components, but only serves to illustrate the principle of returning the excess particulate building material 2 into the storage container 8.
  • FIG. 9 shows a delivery carrier 1 arranged above the construction area 3, which is already known from FIG. 1 and therefore does not need to be described further.
  • the arrangement known from Figure 4 is shown as an example with a suction 15 for suctioning particulate building material 2 from the accumulation 10.
  • the excess particulate building material 2 removed or sucked out of the accumulation 10 that forms in front of the means 9 for smoothing reaches the storage container 8 of the client 1 via the suction 15, the connection 16 and a line 27.
  • the excess particulate building material 2 is thus subjected to the process of Application of the particulate building material 2 by the client 1 is directly supplied or returned.
  • a means 17 for generating the negative pressure is arranged in line 27 as an example.
  • Such a means 17 can alternatively also be arranged in the suction 15.
  • such a means 17 can also be arranged several times, for example at both ends of the line 27. It is essential that such a means 17 generates a controllable negative pressure in such a way that the excess particulate building material 2 is removed from the accumulation 10 and transported into the storage container 8 of the discharger 1, as shown in the example in Figure 9.
  • the means 9 for smoothing shown in FIG. 9 can be exchanged for the means 9 for smoothing according to the invention shown in FIG. List of reference symbols

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Abstract

Der Erfindung, welche eine Anordnung und ein Verfahren zum Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial (2) in einem 3D-Drucker betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, womit die auf bereits aufgetragene Schichten des partikelförmigen Baumaterials (2) sowie teilweise bereits verfestigte Bereiche des partikelförmigen Baumaterials (2) einwirkenden Kräfte bei einem Aufträgen einer weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials (2) verringert werden. Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass vor dem Mittel (9) zum Glätten, in einer Bewegungsrichtung (4) des Mittels (9) zum Glätten gesehen, ein Mittel zum Abführen von überschüssigem partikelförmigem Baumaterial (2) aus einer Ansammlung (10) vor dem Mittel (9) zum Glätten angeordnet ist. Die Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass in einem Arbeitsschritt des Glättens des von einem Austräger (1) auf eine Oberfläche des Baufelds (3) ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials (2), welches sich in der Ansammlung (10) vor einem Mittel (9) zum Glätten ansammelt, eine Regelung der Höhe H (13) der Ansammlung (10) dadurch erfolgt, dass partikelförmiges Baumaterial (2) teilweise aus der Ansammlung (10) entfernt wird.

Description

Anordnung und Verfahren zum Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker, welche ein Mittel zum Glätten des von einem Austräger auf ein Baufeld ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials aufweist.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker, wobei partikelförmiges Baumaterial schichtweise auf einem Baufeld des 3D-Druckers aufgetragen wird.
Bekannt ist es, zur Herstellung einzelner oder serienmäßiger Bauteile, Werkstücke oder Formen einen sogenannten 3D-Druck beziehungsweise ein sogenanntes 3D- Druckverfahren einzusetzen. Bei derartigen Druckverfahren werden dreidimensionale Bauteile oder Werkstücke schichtweise aufgebaut hergestellt.
Der Aufbau erfolgt rechnergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Vorgaben für die zu druckenden Bauteile oder Werkstücke (3D-Strukturen) können beispielsweise von sogenannten rechnerunterstützten Konstruktionssystemen (CAD engl. computer-aided design) in Form von 3D-Druckdaten bereitgestellt werden.
Beim Druck der 3D-Strukturen beziehungsweise 3D-Bauteile finden physikalische oder chemische Härtungsprozesse oder ein Schmelzprozess in einem partikelförmigen Baumaterial, welches auch als Formstoff bezeichnet wird, statt. Als Werkstoffe für derartige 3D-Druckverfahren werden Baumaterialien beziehungsweise Formstoffe wie Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, unverfestigte Sedimente wie Mineralien oder Sande und Metalle eingesetzt.
Bei der Umsetzung von 3D-Druckverfahren sind verschiedene Fertigungsverfahrensabläufe bekannt.
Mehrere dieser Verfahrensabläufe umfassen jedoch die nachfolgend beispielhaft dargestellten Verfahrensschritte:
• Teil- oder vollflächiges Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial, auch als Partikelmaterial oder pulverförmiges Aufbaumaterial bezeichnet, auf ein sogenanntes Baufeld, um eine Schicht aus nichtverfestigtem Partikelmaterial zu bil- den, wobei das teil- oder vollflächige Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial das Austragen und das Glätten des partikelförmigen Baumaterials umfasst;
• Selektives Verfestigen der aufgebrachten Schicht aus nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial in vorbestimmten Teilbereichen, beispielsweise durch ein selektives Verdichten, Aufdrucken oder Aufbringen von Behandlungsmitteln, wie beispielsweise einem Bindemittel mittels eines Druckkopfes oder dem Einsatz eines Lasers;
• Wiederholung der vorhergehenden Verfahrensschritte in einer weiteren Schichtebene zum schichtweisen Aufbau des Bauteils oder Werkstücks. Hierfür ist es vorgesehen, das Bauteil oder Werkstück, welches auf dem Baufeld schichtweise aufgebaut bzw. aufgedruckt wird, mit dem Baufeld jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke abzusenken oder die 3D-Druckvorrichtung jeweils um eine Schichtebene oder Schichtdicke gegenüber dem Baufeld anzuheben, bevor eine neue Schicht teil- oder vollflächig aufgetragen wird;
• Nachfolgendes Entfernen von losem, nichtverfestigtem partikelförmigem Baumaterial, welches das gefertigte Bauteil oder Werkstück umgibt.
Als partikelförmiges Baumaterial wird allgemein eine Anhäufung einzelner Teilchen eines Stoffs oder eines Stoffgemischs verstanden, wobei jedes Teilchen eine dreidimensionale Erstreckung aufweist. Da diese Teilchen überwiegend als runde, ovale oder auch längliche Teilchen aufgefasst werden können, ist es möglich, einen durchschnittlichen Durchmesser für ein derartiges Teilchen anzugeben, welcher meist im Bereich zwischen 0,01 mm bis 0,4 mm liegt. Ein derartiges partikelförmiges Baumaterial kann fluide Eigenschaften aufweisen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zum Erzeugen einer 3D- Struktur bzw. zum Austragen und Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial auf ein Baufeld zur Erzeugung einer 3D-Struktur bekannt.
Aus der DE 10117875 C1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Aufträgen von Fluiden sowie deren Verwendung bekannt.
Das Verfahren zum Aufträgen von Fluiden bezieht sich insbesondere auf Partikelmaterial, welches auf einen zu beschichtenden Bereich aufgetragen wird, wobei vor einer Klinge, in Vorwärtsbewegungsrichtung der Klinge gesehen, das Fluid auf den zu beschichtenden Bereich aufgetragen wird und danach die Klinge über dem aufgetragenen Fluid verfahren wird.
Die Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung, ein Verfahren sowie eine Verwendung der Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine möglichst ebene Verteilung von fluidem Material auf einem zu beschichtenden Bereich erreicht werden kann.
Zur Lösung ist es vorgesehen, dass die Klinge eine Schwingung nach Art einer Drehbewegung ausführt. Durch die schwingende Drehbewegung der Klinge wird das auf den zu beschichtenden Bereich aufgebrachte Fluid fluidisiert. Hierdurch kann nicht nur stark zur Agglomerierung neigendes Partikelmaterial möglichst eben und glatt aufgetragen werden, sondern es ist darüber hinaus möglich, auch die Verdichtung des Fluids durch die Schwingung zu beeinflussen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Aufträgen des Fluids auf den zu beschichtenden Bereich im Überschuss erfolgt. So wird durch die ständige Bewegung der Klinge, die nach Art einer Drehbewegung oszilliert, das überschüssige Fluid, in Vorwärtsbewegungsrichtung der Klinge gesehen, vor der Klinge in einer aus Fluid bzw. Partikelmaterial durch die Vorwärtsbewegung der Klinge gebildeten Walze homogenisiert. Dadurch können etwaige Hohlräume zwischen einzelnen Partikelklumpen gefüllt werden und größere Klumpen Partikelmaterial werden durch die Walzenbewegung aufgebrochen.
Die JP 6 380 948 B2 beschäftigt sich mit der Bereitstellung einer Pulvermaterialzuführung für eine dreidimensionale Formanlage, die dreidimensional geformte Produkte aus Pulvermaterial herstellt. Die Formanlage ist in der Lage, das Auftreten von Unregelmäßigkeiten in einer Pulvermaterialschicht zu unterdrücken und ein genau geformtes Produkt mit einer höheren Geschwindigkeit als zuvor zu formen.
Hierfür ist eine Pulvermaterialzuführung offenbart, welche einen Auslass, aus dem ein Pulvermaterial auf einen Formtisch ausgetragen wird, und ein Glättungselement, das hinter dem Auslass in der Bewegungsrichtung der Pulvermaterialzuführung angeordnet ist, aufweist. Durch das Glättungselement wird eine Pulvermaterialschicht mit einer vorbestimmten Dicke des aus dem Auslass auf den Formtisch ausgetragenen Pulvermaterials auf dem Formtisch erzeugt. Um eine überschüssige Menge von Pulvermaterial zu entfernen, ist eine Saugvorrichtung mit einer Saugdüse zum Absaugen der überschüssigen Menge an Pulvermaterial vorgesehen.
Aus der DE 10 2015 015 353 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen bekannt. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche einen sicheren Prozessablauf prüfen beziehungsweise gemäß einer bevorzugten Ausführungsform auch regeln. Zur Lösung dieser Aufgabe ist es vorgesehen, dass eine Messung einer Überschussmenge an Partikelmaterial durchgeführt wird. Offenbart ist es auch, dass die Messung am Ende und/oder während einer Beschichterfahrt erfolgt, wobei die Messung ortsaufgelöst und vorzugsweise über eine gesamte Beschichterbreite erfolgt.
Die US 2004 / 0 173 946 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Körpern aus Partikeln mittels schichtaufbauender Verfahren (pulverbasierte generative rapid prototyping Verfahren), wobei der Schichtaufbau durch eine optische Kontrolleinrichtung überwacht wird. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, das die Qualitätskontrolle der ausgebrachten Schichten vor oder nach der Aushärtung ermöglicht und aus dem sich Reparaturmaßnahmen ableiten lassen. Hierfür sollen besonders geeignete Partikel oder Binderflüssigkeiten aufgezeigt sowie eine geeignete Kontrollvorrichtung angegeben werden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist es vorgesehen, ein optisches Abbild der ausgebrachten, geglätteten und/oder gehärteten Schicht mittels der Kontrollvorrichtung aufzunehmen. Das Abbild der Schicht wird so aufbereitet, dass in der Schichtebene angeordnete Defekte, insbesondere Partikelfehlstellen oder Partikelschichtfehler, sowie Baufehler detektiert werden können. Unter Partikelfehlstellen ist sowohl ein Überschuss wie auch ein Unterschuss an Partikeln in der Schicht zu verstehen.
Die JP 2001-9 921 A betrifft eine Stereolithographievorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Harzmodells durch selektives Aushärten eines photohärtbaren Harzes durch Bestrahlung mit Licht. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Stereolithographievorrichtung bereitzustellen, welche in der Lage ist, ein hochgenaues Formmodell herzustellen. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Glättungsteil mit einem Stützabschnitt, einem Speicher- und Förderabschnitt und einem Schabeabschnitt bereitgestellt, wobei das Glättungsteil mit einer Bewegungsgeschwindigkeit über eine Harzfläche bewegt werden kann. Mittels des Schabeabschnitts wird überschüssiges ungehärtetes Harz abgeschabt und nachfolgend durch den Speicherund Förderabschnitt transportiert. Dieses Material kann mittels einer Saugvorrichtung abgesaugt werden.
Die US 2019 / 0 193 150 A1 beschreibt ein System und ein entsprechendes Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Objekts zur Verbesserung der Packungsdichte eines im Fertigungsprozess verwendeten Pulverbetts. Das System und das entsprechende Verfahren ermöglichen eine Packung des Pulvers mit höherer Dichte. Eine solche Packung mit höherer Dichte führt zu einer besseren mechanischen Verzahnung der Partikel, was zu niedrigeren Sintertemperaturen und einer geringeren Verformung des 3D-Objekts während des Sinterns führt. Eine Ausführungsform des Systems umfasst Mittel zum Einstellen eines Volumens eines Pulvers, das auf eine Oberfläche des Pulverbetts dosiert wird, um ein angepasstes dosiertes Volumen zu erzeugen. Weiterhin sind Mittel zum Verteilen des angepassten dosierten Volumens offenbart, um ein glattes Volumen zum Bilden einer glatten Pulverschicht zu erzeugen mit kontrollierter Packungsdichte über der Oberfläche des Pulverbetts. Die kontrollierte Packungsdichte ermöglicht eine gleichmäßige Schrumpfung ohne Verziehen des 3D-Objekts während des Sinterns, um qualitativ hochwertigere 3D-gedruckte Objekte herzustellen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Mittel zum Aufträgen beziehungsweise Austragen des partikelförmigen Baumaterials in einem 3D-Drucker bekannt. Ein derartiges Mittel, welches nachfolgend als Austräger bezeichnet wird, ist nachfolgend beschrieben. Es versteht sich, dass zum Austragen des partikelförmigen Baumaterials auch andere gleichwirkende Mittel eingesetzt werden können, ohne den Kern der vorliegenden Erfindung zu beeinflussen.
Zum Aufbringen einer Schicht des partikelförmigen Baumaterials wird beispielsweise der in der DE 10 2018 003 336 A1 beschriebene Austräger horizontal über das Baufeld bewegt. Der hier beispielhaft beschriebene Austräger ist ein sogenannter Fluidisierer, bei welchem das partikelförmige Baumaterial durch einen Auslass austritt und als Austrag zur Oberfläche des Baufelds gelangt, um dort eine neue Schicht aus partikelförmigem Baumaterial mit einer festgelegten Schichtdicke auszubilden. Zur Ausbildung einer gleichmäßigen Schicht aus partikelförmigem Baumaterial mit einer festgelegten Schichtdicke wird nach dem Stand der Technik üblicherweise auch ein Mittel zum Glätten der Schicht aus partikelförmigem Baumaterial wie beispielsweise eine Klinge eingesetzt.
Der Austräger weist zur Bevorratung des partikelförmigen Baumaterials einen trichterförmigen Vorratsbehälter und zum Austragen des partikelförmigen Baumaterials eine Öffnung beziehungsweise einen Auslass auf, welcher im unteren Bereich des Austrägers angeordnet ist. Weiterhin sind im unteren Bereich des trichterförmigen Vorratsbehälters Auslassmittel angeordnet, welche es verhindern, dass partikelförmiges Baumaterial ungewollt aus dem Aufträger auf das Baufeld gelangt.
Ein Aufträgen einer neuen Schicht des partikelförmigen Baumaterials auf das Baufeld wird dadurch erreicht, dass das partikelförmige Baumaterial im Bereich des Auslassmittels freigegeben wird.
Zeitgleich mit der Freigabe des Auslassmittels wird der Austräger über das Baufeld bewegt und eine neue Schicht des partikelförmigen Baumaterials auf das Baufeld aufgetragen.
Wie bereits erwähnt, wird das derart aufgetragene partikelförmige Baumaterial durch ein Mittel zum Glätten der Schicht des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials, wie beispielsweise mit einer Klinge, geglättet oder geglättet und verfestigt, wobei sich vor diesem Mittel eine Ansammlung des zu viel ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials ausbildet. Die Höhe und die Form dieser Ansammlung werden von der Menge des zu viel durch den Austräger aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials bestimmt.
Da es in einem Fall, in welchem nicht zu viel partikelförmiges Baumaterial auf die Oberfläche des Baufelds ausgetragen wird, zu Fehlstellen kommen kann, in welchen das partikelförmige Baumaterial nicht mit einer gewünschten Schichtdicke in der aktuell aufzutragenden Schicht ausgebildet wird, wird aus Sicherheitsgründen mehr beziehungsweise zu viel partikelförmiges Baumaterial von einem Austräger auf die Oberfläche des Baufelds ausgetragen.
Wird ein Mittel zum Glätten der Schicht des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials, wie beispielsweise eine Klinge, horizontal über ein Baufeld bewegt, entstehen durch die Klinge sowie die sich vor dieser Klinge ausbildende Ansammlung des zu viel ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials Kräfte, welche auf den Untergrund einwirken. Dieser Untergrund besteht beispielsweise aus mehreren Schichten des bereits ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials, wobei dieses in Teilbereichen, welche die zu erzeugende 3D-Struktur ausbilden sollen, bereits selektiv verfestigt ist. Die Größe beziehungsweise der Betrag und die Richtung dieser auf den Untergrund einwirken Kräfte ist lokal verschieden. Der Betrag dieser Kräfte ist beispielsweise von der Neigung der Klinge, von der Höhe der Ansammlung, welche an verschiedenen Stellen der Ansammlung unterschiedlich sein kann, von der Bewegungsgeschwindigkeit der Klinge über dem Baufeld und von der Korngröße und Verteilung des partikelförmigen Baumaterials abhängig. Somit wirken an verschiedenen Stellen, vorzugsweise unter der Ansammlung, verschieden starke Kräfte auf den Untergrund ein.
Derartige Kräfte weisen allgemein eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente auf. Die horizontale Komponente, welche als Kraft FH bezeichnet wird, wirkt parallel zur Oberfläche des Baufelds in einem Bereich der letzten aufgetragenen Schicht des partikelförmigen Baumaterials. Die Kraft FH wird durch die horizontale Bewegung des Mittels zum Glätten, wie eine Klinge, verursacht. Die vertikale Komponente, welche als Kraft Fv bezeichnet wird, wirkt lotsenkrecht zur Oberfläche des Baufelds beziehungsweise lotsenkrecht zu der letzten aufgetragenen Schicht des partikelförmigen Baumaterials. Die Kraft Fv wird durch die Gewichtskraft des partikelförmigen Baumaterials, insbesondere des in der Ansammlung befindlichen partikelförmigen Baumaterials, verursacht. In der Praxis kommt es zu einer Überlagerung der Kräfte FH und Fv und zur Entstehung einer resultierenden Kraft FR. Diese resultierenden Kraft FR ist in einem Winkel zur Oberfläche des Baufelds beziehungsweise der Lotsenkrechten gerichtet, welcher durch die Anteile der Kräfte FH und Fv bestimmt wird und an verschiedenen Stellen der Ansammlung, insbesondere entlang der Längserstreckung der Ansammlung, verschieden sein kann. Ebenso kann der Betrag der resultierenden Kraft FR an verschiedenen Stellen unterschiedlich groß sein.
Diese in einem Winkel zur Oberfläche des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials auf den Untergrund einwirkenden resultierenden Kräfte FR führen beispielsweise zu Verschiebungen in den Schichten des bereits aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials, welche auch teilweise selektiv verfestigt sein können. Hierdurch kommt es zu Ungenauigkeiten bezüglich der Abmessungen der zu erzeugenden 3D-Struktur. Überschreiten derartige eine bestimmte Toleranz, kann die erzeugte 3D-Struktur in einigen Fällen nicht mehr verwendet werden. Eine derartige Toleranz bei der Fertigung einer 3D-Struktur kann beispielsweise im Bereich kleiner als ± 0,5 mm, insbesondere ± 0,3 mm, liegen.
Das heißt, dass für den Fall, dass eine Ungenauigkeit an nur einer Stelle der zu erzeugenden 3D-Struktur größer als ± 0,5 mm, insbesondere größer als ± 0,3 mm, ist, die erzeugte 3D-Struktur nicht mehr verwendet werden kann.
Ein weiteres Problem können zu hohe Reibungskräfte zwischen den Partikeln des partikelförmigen Baumaterials selbst oder zwischen den Partikeln des partikelförmigen Baumaterials und einer Klinge eines Mittels zum Glätten verursachen, da es hierdurch zu einer unzulässigen punktuellen Erwärmung kommen kann, durch welche beispielsweise die physikalischen Eigenschaften des partikelförmigen Baumaterials beeinflusst werden.
Daher sind Lösungen aus dem Stand der Technik bekannt, mittels welcher versucht wird, die Größe beziehungsweise Menge der Ansammlung vor einem Mittel zum Glätten, wie eine Klinge, zu beeinflussen beziehungsweise in einer vorgegebenen Größe beziehungsweise Menge konstant zu halten. Hierbei kann es vorgesehen sein, die Größe der Ansammlung beispielsweise mittels einer Kamera und einem geeigneten Algorithmus zu bestimmen und in Abhängigkeit der ermittelten Größe der Ansammlung eine von einem Austräger auf die Oberfläche des Baufelds ausgetragene Menge des partikelförmigen Baumaterials zu beeinflussen, um die Größe der Ansammlung beispielsweise konstant zu halten. Hierbei kann es auch vorgesehen sein, die Größe der Ansammlung vor einem Mittel zum Glätten auf einem Minimum zu halten, um die auf den Untergrund wirkenden Kräfte minimal zu halten. Dieses Minimum beziehungsweise diese minimal notwendige Höhe Hmin der Ansammlung wird benötigt, um eine Schicht des partikelförmigen Baumaterials gleichmäßig, mit einer festgelegten Schichtdicke und ohne Fehlstellen aufbringen zu können.
Nachteilig an derartigen Lösungen ist es, dass diese Lösungen aufwändig sind und hohe Kosten sowie einen erhöhten Steuerungs- und Regelaufwand bezüglich des Austragens des partikelförmigen Baumaterials verursachen. Außerdem können der- artige Lösungen unterschiedliche Größen der Ansammlung entlang der Längs- erstreckung der Klinge, welche in der Praxis sehr oft auftreten, nicht verhindern. Somit treten entlang der Längserstreckung der Klinge, trotz einer gezielten Beeinflussung der Größe der Ansammlung, unterschiedlich starke auf den Untergrund wirkende Kräfte auf. Dies führt dazu, dass eine lokal unterschiedlich starke Beanspruchung entlang der Klingenlänge in den darunterliegenden selektiv verfestigten Strukturen auftritt.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Standes der Technik bei einem Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker besteht darin, dass die Ansammlung des partikelförmigen Baumaterials nach einer Überfahrt über das Baufeld meist nicht mehr im aktuell laufenden Fertigungsprozess bei der Erzeugung der 3D- Struktur zur Verfügung steht. Partikelförmiges Baumaterial, welches sich nach einer Überfahrt über das Baufeld noch in der Ansammlung befindet, kann beispielsweise in einem Auffangbehälter aufgefangen werden. Um dieses aufgefangene partikelförmige Baumaterial dem Fertigungsprozess wieder zuzuführen, sind üblicherweise mehrere Prozessschritte notwendig.
Somit besteht ein Bedarf nach einer Verbesserung des bekannten Stands der Technik und somit an einer verbesserten Anordnung und einem verbesserten Verfahren zum Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren zum Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial in einem 3D-Drucker anzugeben, womit die auf bereits aufgetragene Schichten des partikelförmigen Baumaterials sowie teilweise bereits verfestigte Bereiche des partikelförmigen Baumaterials einwirkenden Kräfte bei einem Aufträgen einer weiteren Schicht des partikelförmigen Baumaterials verringert werden.
Außerdem soll die Qualität der aktuell aufzutragenden Schicht und derart die Genauigkeit der Abmessungen der erzeugten 3D-Strukturen verbessert werden.
Weiterhin soll es ermöglicht werden, zumindest einen Teil des partikelförmigen Baumaterials in der Ansammlung, welches nicht zur Ausbildung der minimal notwendigen Höhe Hmin der Ansammlung erforderlich ist, in einen Vorratsbehälter eines Austrägers direkt zurückzuführen. Nachfolgend wird partikelförmiges Baumaterial, welches nicht zur Ausbildung der minimal notwendigen Höhe Hmin der Ansammlung erforderlich ist, als überschüssiges Partikelmaterial bezeichnet.
Das Verfahren sieht es allgemein vor, dass in einem Arbeitsschritt des Glättens des von einem Austräger auf die Oberfläche des Baufelds ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials, welches sich in der Ansammlung vor dem Mittel zum Glätten ansammelt, dieses partikelförmige Baumaterial zumindest teilweise aus der Ansammlung entfernt beziehungsweise abgeführt und in einen Vorratsbehälter des Austrägers zurückgeführt wird. Hierfür ist ein entsprechend geeignetes Mittel zum Entfernen beziehungsweise Abführen des partikelförmigen Baumaterials aus der Ansammlung vorgesehen.
Hierbei erfolgt eine verfahrensgemäße Steuerung derart, dass nur überschüssiges partikelförmiges Baumaterial, welches nicht zur Ausbildung einer minimal notwendigen Höhe Hmin der Ansammlung erforderlich ist, aus der Ansammlung entfernt beziehungsweise abgeführt und in den Vorratsbehälter des Austrägers zurückgeführt wird. Hierbei ist die minimal notwendige Höhe Hmin der Ansammlung diejenige Höhe H der Ansammlung, welche benötigt wird, um eine Schicht des partikelförmigen Baumaterials gleichmäßig, mit einer festgelegten Schichtdicke und ohne Fehlstellen aufbringen zu können.
Vorgesehen ist es, dass die Menge des aus der Ansammlung entfernten, beispielsweise abgesaugten überschüssigen partikelförmigen Baumaterials in Abhängigkeit von der Menge des durch den Austräger ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials geregelt wird.
Die Menge des überschüssigen partikelförmigen Baumaterials, also der Anteil des partikelförmigen Baumaterials, welches nicht für eine ordnungsgemäße Ausbildung einer neuen Schicht aus partikelförmigem Baumaterial benötigt wird, hängt von der aus dem Austräger auf die Oberfläche des Baufelds ausgetragenen Menge des partikelförmigen Baumaterials ab. Somit kann eine Regelung des aus der Ansammlung entfernten beziehungsweise abgeführten überschüssigen partikelförmigen Baumaterials in Abhängigkeit der Menge des ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials erfolgen. Alternativ ist es vorgesehen, dass die Menge des aus der Ansammlung entfernten beziehungsweise abgeführten überschüssigen partikelförmigen Baumaterials in Abhängigkeit der Höhe H der Ansammlung geregelt wird.
Ein Mittel zum Entfernen beziehungsweise Abführen des partikelförmigen Baumaterials aus der Ansammlung kann unterschiedlich realisiert werden. Beispielsweise können geeignete Saugmittel, Bürsten, Rakel, Klingen, Schaufeln oder Wannen vorgesehen werden, welche partikelförmiges Baumaterial teilweise aus der Ansammlung entfernen beziehungsweise abführen. Weiterhin können zum Transport des aus der Ansammlung entfernten beziehungsweise abgeführten partikelförmigen Baumaterials in einen Vorratsbehälter des Austrägers mechanische Fördersysteme wie ein Bandfördersystem, ein Becherwerksystem, ein Schneckensystem, ein Spiralfördersystem oder ein Schwingfördersystem eingesetzt werden. Alternativ können zum Transport des aus der Ansammlung entfernten beziehungsweise abgeführten partikelförmigen Baumaterials in einen Vorratsbehälter des Austrägers pneumatische Fördersysteme wie eine Druckförderung, eine Saugförderung, eine Saug- Druck-Förderung beziehungsweise eine Pfropfen- oder Dichtstromförderung eingesetzt werden. Nachfolgend wird die Erfindung am Beispiel eines Saugmittels, welches partikelförmiges Baumaterial aus der Ansammlung abführt, beschrieben, was keine Einschränkung der Erfindung auf diese Ausführung des Mittels zum Entfernen beziehungsweise Abführen des partikelförmigen Baumaterials aus der Ansammlung darstellt.
Die Höhe H und die Form der Ansammlung werden von der Menge des zu viel durch den Austräger auf die Oberfläche des Baufelds aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials bestimmt. Die Höhe H kann beispielsweise optisch erfasst werden und eine Regelung der Absaugung derart bewirken, dass eine vorgegebene Höhe H der Ansammlung erreicht wird, welche einer minimal notwendigen Höhe Hmin der Ansammlung entspricht, die notwendig ist, um eine Schicht des partikelförmigen Baumaterials gleichmäßig, mit einer festgelegten Schichtdicke und ohne Fehlstellen aufbringen zu können.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Menge des aus der Ansammlung entfernten beziehungsweise abgesaugten überschüssigen partikelförmigen Baumaterials in Abhängigkeit einer unterhalb der im Arbeitsschritt des Glättens erzeugten Schicht liegenden Schicht oder mehrerer Schichten, welche sogenannte kritische Bereiche aufweisen können, geregelt wird.
Bereiche, in welchen die Gefahr besteht, dass ein Aufträgen und Glätten des partikelförmigen Baumaterials in der aktuellen Schicht zu Fehler im Aufbau der 3D- Stuktur in einer darunterliegenden Schicht führt, werden als kritische Bereiche bezeichnet. Hierbei wird unter derartigen Fehlern insbesondere ein Aufreißen und/ oder ein Verschieben von Bereichen beziehungsweise Teilbereichen der zu erzeugenden 3D-Struktur verstanden.
Derartige kritische Bereiche sind auch Bereiche, in welchen ein Aufbringen einer Teilstruktur der zu erzeugenden 3D-Struktur auf kleinen Teilstrukturen einer darunterliegenden Schicht erfolgen soll. Derartige kleine Teilstrukturen entstehen beispielsweise, wenn Abmessungen der in Schichten übereinander angeordneten Teilstrukturen derart klein sind, dass bei einem beispielsweise stapelartigen Aufbau dieser Teilstrukturen nur geringe mechanische Festigkeiten zu erwarten sind. Derartige geringe Festigkeiten weisen Teilstrukturen mit geringstmöglichen Abmessungen beispielsweise im Bereich von einer Länge von 0,1 mm und einer Breite von 0,1 mm bis hin zu Abmessungen im Bereich von einer Länge von 5 mm oder mehr und einer Breite von 5 mm oder mehr auf. Diese Abmessungen sind vom Formstoff, der Verarbeitungsgeschwindigkeit des Formstoffs und den Fluideigenschaften abhängig. Darüber hinaus können derartige kritische Bereiche auch einen Teil einer aktuellen Schicht umfassen oder eine komplette Schicht sein, beispielsweise bedingt durch die zu fertigende aufwendige beziehungsweise komplizierte 3D-Struktur oder einen unter der aktuellen Schicht liegenden wenig haftenden Untergrund, wie die Oberfläche des Baufelds.
Durch eine Analyse der zur Erzeugung der 3D-Struktur vorliegenden Druckdaten sind derartige kritische Bereiche bekannt und können bei der Erzeugung der 3D- Struktur beachtet werden. Eine Regelung der Menge des aus der Ansammlung entfernten beziehungsweise abgesaugten überschüssigen partikelförmigen Baumaterials in Abhängigkeit der kritischen Bereiche erfolgt derart, dass bei einem Erreichen eines kritischen Bereichs die Menge des aus der Ansammlung entfernten überschüssigen partikelförmigen Baumaterials erhöht wird, wobei sich die Höhe H der Ansammlung verringert. Dieses Entfernen von überschüssigem partikelförmigem Baumaterial erfolgt unter Beachtung einer minimal notwendigen Höhe Hmin der Ansammlung, welche nicht unterschritten wird.
Beim Verlassen des kritischen Bereichs wird die Menge des aus der Ansammlung entfernten überschüssigen partikelförmigen Baumaterials wieder reduziert, beispielsweise auf eine Höhe H der Ansammlung wie vor dem Erreichen des kritischen Bereichs.
Diese Veränderung der Höhe H der Ansammlung in den kritischen Bereichen kann zeitlich gekoppelt werden mit einer Reduzierung der Geschwindigkeit der Arbeitsmittel des 3D-Druckers in diesen kritischen Bereichen. Somit wird beispielsweise ein Aufträger und/oder ein Mittel zum Glätten mit einer reduzierten Geschwindigkeit über die Oberfläche des Baufelds bewegt und gleichzeitig die Höhe H der Ansammlung auf ein Minimum verringert.
Diese Verringerung der Höhe H der Ansammlung unter Beachtung der minimal notwendigen Höhe Hmin der Ansammlung kann bereits kurz vor dem Erreichen des kritischen Bereichs erfolgen. Hierfür wird eine entsprechende Vorlaufzeit oder Entfernung beispielsweise zwischen dem Aufträger und dem kritischen Bereich festgelegt.
Eine Erhöhung der Höhe H der Ansammlung beim Verlassen des Endes des kritischen Bereichs kann mittels einer Nachlaufzeit oder einer festgelegten Entfernung zwischen dem kritischen Bereich und dem Aufträger verzögert erfolgen.
Dieses allgemeine Verfahren kann mit verschiedenen Anordnungen ausgeführt werden.
Vorgesehen ist es, dass überschüssiges Partikelmaterial der Ansammlung vor der Klinge beispielsweise durch eine Absaugung aufgenommen und in einen Vorratsbehälter eines Austrägers zurückgeführt werden. Durch das mittels des Austrägers zu viel auf die Oberfläche des Baufelds aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials bildet sich vor einem Mittel zum Glätten, wie beispielsweise einer Klinge, eine Ansammlung bestehend aus zur Ausbildung der minimal notwendigen Höhe Hmin der Ansammlung erforderlichem und überschüssigem partikelförmigem Baumaterial aus. Aus dieser Ansammlung wird das überschüssige Partikelmaterial, welches nicht für eine ordnungsgemäße Ausbildung einer neuen Schicht aus partikelförmigem Baumaterial benötigt wird, abgesaugt. Es verbleibt eine Ansammlung mit ei- nem wesentlich verringerten Volumen beziehungsweise eine Ansammlung mit einer wesentlich verringerten Höhe H.
Vorgesehen ist erfindungsgemäß, dass das überschüssige partikelförmige Baumaterial der Ansammlung vor dem Mittel zum Glätten, wie einer Klinge, durch eine Absaugung aufgenommen wird, wobei das Mittel zum Glätten des partikelförmigen Baumaterials eine spaltförmige Öffnung in der Längserstreckung der Klinge aufweist, über welche das überschüssige Partikelmaterial aus der Ansammlung abgesaugt und in den Vorratsbehälter des Austrägers zurückgeführt wird. Zu diesem Zweck ist die Klinge teilweise hohl ausgeführt, wobei die Klinge eine spaltförmige Öffnung zur Absaugung des überschüssigen partikelförmigen Baumaterials und eine oder mehrere Öffnungen zur Weiterleitung des partikelförmigen Baumaterials zu einem Vorratsbehälter für das partikelförmige Baumaterial aufweist. Hierfür sind die eine oder die mehreren Öffnungen mit einem steuerbaren Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks verbunden, welches im Mittel zum Glätten angeordnet sein kann. Durch den erzeugten Unterdrück entlang der in der Längserstreckung der Klinge bereitgestellten spaltförmigen Öffnung, welche in Richtung der Ansammlung ausgerichtet ist, wird das überschüssige partikelförmige Baumaterial aus der Ansammlung abgesaugt.
Wird beispielsweise eine Unterkante der spaltförmigen Öffnung der Klinge in einem bestimmten Abstand A über der Oberfläche des Baufeldes platziert und der erzeugte Unterdrück entsprechend geregelt, ist es möglich, die Höhe H der Ansammlung derart zu reduzieren, dass die Höhe H der Ansammlung dem Abstand A über der Oberfläche des Baufeldes entspricht.
Vorgesehen ist es weiterhin, dass die Klinge zweiteilig aus einem Klingengrundkörper und einem Klingenblech bestehend ausgeführt wird, wobei die der Ansammlung zugewandte spaltförmige Öffnung zwischen dem Klingengrundkörper und dem Klingenblech ausgebildet wird. Durch eine entsprechende Positionierung des Klingenblechs gegenüber dem Klingengrundkörper kann die Größe des Spalts beziehungsweise die Spaltgröße festgelegt werden.
Zwischen dem Klingengrundkörper und dem Klingenblech entsteht ein Hohlraum, welcher eingangsseitig den Spalt aufweist und welcher ausgangsseitig mit einer Absaugung verbunden ist. Hierbei wird der Begriff eingangsseitig für einen Eingang benutzt, durch welchen das überschüssige partikelförmige Baumaterial aus der Ansammlung in das hohle Mittel zum Glätten gelangt. Der Begriff ausgangsseitig wird für einen Ausgang benutzt, durch welchen das überschüssige partikelförmige Baumaterial aus dem Mittel zum Glätten beispielsweise über eine Absaugung und einen entsprechenden Anschluss zum Vorratsbehälter des Austrägers transportiert wird.
Alternativ ist es vorgesehen, dass das Klingenblech in seinem den Spalt ausbildenden Abstand zum Klingengrundkörper veränderbar angeordnet ist. Eine derartige Veränderung des Abstands kann beispielsweise bei einer Justage der Klinge vor dem Betrieb im 3D-Drucker erfolgen, wobei das Klingenblech entsprechend mechanisch befestigt wird.
In einer weiteren Ausführung ist die Befestigung des Klingenblechs derart vorgesehen, dass es durch geeignete Mittel zur Bewegung des Klingenblechs verschoben beziehungsweise verstellt werden kann, wobei sich der Abstand zum Klingengrundkörper verändert. Diese Verschiebung beziehungsweise Änderung der Spaltgröße kann auch im laufenden Betrieb des 3D-Druckers durch die Mittel zur Bewegung des Klingenblechs erfolgen.
Derart stehen zur Beeinflussung der aus der Ansammlung abzusaugenden Menge des partikelförmigen Materials die Parameter Größe des erzeugten Unterdrucks beziehungsweise eine Saugleistung und die Größe des Spalts in der Klinge zur Verfügung.
Vorgesehen ist es weiterhin, dass eine derartige hohle Klinge, bestehend aus einem Klingengrundkörper und einem beispielsweise verstellbaren Klingenblech, eine im Klingengrundkörper angeordnete Klingentasche aufweist, welche einen Bereich innerhalb der Klinge darstellt, welcher unterhalb einer Unterkante des in der Klinge ausgebildeten Spalts und innerhalb der Klinge ausgebildet ist. Beim Absaugen des partikelförmigen Baumaterials durch den Spalt und einen nahezu senkrechten Bereich der teilweise hohl ausgeführten Klinge zu einem Vorratsbehälter ist es möglich, dass wenige Partikel des partikelförmigen Baumaterials im senkrechten Bereich, bedingt durch die auf sie wirkende Schwerkraft, nicht weiter angesaugt werden beziehungsweise nach unten fallen. Um zu verhindern, dass diese Partikel durch ihre Fallbewegung wieder auf das Baufeld zurückgelangen, ist der Bereich im Inneren der Klinge annähernd L-förmig ausgeführt und weist eine Klingentasche auf, welche an ihrer tiefsten Stelle unterhalb der Unterkante des ausgebildeten Spalts liegt und in welcher sich die zurückfallenden Partikel ansammeln.
Vorgesehen ist weiter alternativ, dass das überschüssige partikelförmige Baumaterial der Ansammlung vor der Klinge durch eine spaltförmige Öffnung in der Längs- erstreckung der Klinge aufgenommen wird, wobei die Klinge einen Klingengrundkörper und ein Klingenblech aufweist und wobei am Klingengrundkörper eine Klingenschneide angeordnet ist.
Zu diesem Zweck ist die Klinge teilweise hohl ausgeführt, wobei die Klinge eine über der Klingenschneide angeordnete spaltförmige Öffnung zur Absaugung des überschüssigen partikelförmigen Baumaterials und eine oder mehrere ausgangsseitige Öffnungen zur Weiterleitung des partikelförmigen Baumaterials zu einem Vorratsbehälter für das partikelförmige Baumaterial aufweist.
Die Klingenschneide ist im unteren Bereich des Klingengrundkörpers angeordnet und wird derart mit ihrer tiefsten Stelle beziehungsweise mit ihrer Unterkante über dem Baufeld positioniert, dass sich bei der Bewegung der Klinge mit ihrer Klingenschneide über das Baufeld unterhalb der Klinge eine neue Schicht des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials mit einer vorgegebenen und gewünschten Schichtdicke ergibt. Das überschüssige partikelförmige Baumaterial wird über die Oberseite der Klinge zur längsersteckten Öffnung mit der einstellbaren Spaltgröße in der Richtung der Partikelbewegung über die Absaugung und den Anschluss zu einem Vorratsbehälter des Austrägers befördert.
Ein besonderer Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass die im laufenden Betrieb des 3D-Druckers verschleißende Klingenschneide separat ausgetauscht werden kann. Ohne diese Klingenschneide vor dem Klingengrundkörper kommt es zu Verschleißerscheinungen am Klingengrundkörper, welcher dann allein oder zusammen mit dem Klingenblech ausgetauscht werden muss.
Die keilförmig ausgeführte Klingenschneide weist an ihrer dünnsten Stelle, welche am weitesten vom Klingengrundkörper, an welchem sie befestigt ist, absteht, eine Dicke auf, welche zwischen 0,01 mm und 1 ,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,07 mm und 0,3 mm, beträgt. Um zu verhindern, dass das in der Ansammlung vor dem Mittel zum Glätten wie einer Klinge, befindliche partikelförmige Baumaterial den Rand des Baufelds verlässt und somit verlorengeht, weist das Mittel zum Glätten an beiden Seiten beziehungsweise Enden je ein Leitprofil auf. Mittels dieser Leitprofile wird die Ansammlung seitlich begrenzt und verhindert, dass die Ansammlung in den Randbereichen eine geringere Höhe H aufweist, da in diesen Randbereichen das partikelförmige Baumaterial vom Baufeld fallen beziehungsweise rieseln kann. Derart werden außerdem die Verluste an partikelförmigem Baumaterial bei einer Überfahrt des Mittels zum Glätten über das Baufeld minimiert, da durch die Leitprofile verhindert wird, dass das in der Ansammlung befindliche partikelförmige Baumaterial das Baufeld an den Seiten verlässt und dem 3D-Druckprozess nicht mehr zur Verfügung steht.
Das Leitprofil kann am Klingenblech angeordnet und mit diesem mechanisch verbunden werden. Das Leitprofil weist beispielsweise eine dreieckförmige seitliche Begrenzung auf, mit welcher das Leitprofil vom Klingenblech absteht und welche eine seitliche Begrenzung für die sich im Betrieb des 3D-Druckers ausbildende Ansammlung ausbildet. Das Leitprofil kann auch eine parallel zur Oberfläche des Baufelds ausgerichtete dreieckförmige Grundplatte aufweisen, welche einen allmählichen Übergang zwischen dem Leitprofil und dem Mittel, insbesondere dem Klingenblech, ausbildet.
Vorgesehen ist es, beispielsweise die Höhe H der Ansammlung zu überwachen und durch eine Regelung des zu erzeugenden Unterdrucks eine Ansammlung vor der Klinge auszubilden, welche nur noch die minimal notwendige Höhe Hmin aufweist. Das heißt, dass überschüssiges partikelförmiges Baumaterial, welches nicht zur Ausbildung der minimalen Höhe Hmin der Ansammlung notwendig ist, aus der Ansammlung entfernt beziehungsweise abgesaugt wird. Durch diese Verringerung der Höhe H der Ansammlung auf das notwendige Minimum kommt es zu einer Verringerung der Kräfte FH, Fv, FR, welche auf den Untergrund, insbesondere auf die kritischen Bereiche, einwirken.
Somit kommt es zu einer Verringerung auftretender Verschiebungen in den Schichten des bereits aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials, welche auch teilweise selektiv verfestigt sein können. Dadurch verringern sich die Ungenauigkeiten bezüglich der Abmessungen der zu erzeugenden 3D-Struktur. Die Qualität der erzeugten 3D-Strukturen verbessert sich, da die Genauigkeit bei der Fertigung einer 3D- Struktur erhöht wird.
Die Höhe H der Ansammlung kann in Abhängigkeit der Verfahrgeschwindigkeit des Mittels zum Glätten, wie einer Klinge, über dem Baufeld und der Menge des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials beispielsweise bei mehr als 10 mm liegen. Durch die erfindungsgemäße Verringerung der Höhe H der Ansammlung kann diese Höhe H auf einen signifikant kleineren Wert reduziert werden, welcher bei 8 mm, vorzugsweise 5 mm, weiter vorzugsweise bei 2 mm, liegt.
Je nach Klingengeometrie und Intensität der Entfernung des partikelförmigen Baumaterials beispielsweise durch eine Absaugung kann die Ansammlung auch fast gänzlich vermieden werden, sodass diese nur noch eine mit der mittleren Partikelgröße des partikelförmigen Baumaterials korrespondierende Höhe H von beispielweise 0,5 mm, vorzugsweise 0,3 mm, weiter vorzugsweise 0,15 mm, aufweist.
Vorgesehen ist es weiterhin, dass das aus der Ansammlung abgesaugte überschüssige partikelförmige Baumaterial in einen Vorratsbehälter eines Austrägers zurückgeführt wird. Durch diese unmittelbare Rückführung des partikelförmigen Baumaterials in den Vorratsbehälter des Austrägers reduziert sich die vorzuhaltende Menge des partikelförmigen Baumaterials. Für diese unmittelbare Rückführung können die weiter oben bereits aufgeführten mechanischen oder pneumatischen Fördersysteme zum Einsatz kommen. Ein weiterer Vorteil dieser direkten Rückführung liegt darin, dass das partikelförmige Baumaterial nicht, wie im Stand der Technik notwendig, erst einer aufwändigen Reinigung beziehungsweise Aufbereitung des partikelförmigen Baumaterials zugeführt werden muss.
Zur Regelung der Höhe H der Ansammlung ist es vorgesehen, das Mittel zur Erzeugung des Unterdrucks zu beeinflussen und derart mehr oder weniger überschüssiges partikelförmiges Baumaterial aus der Ansammlung abzusaugen.
Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen: Fig. 1 : eine beispielhafte Anordnung zum Austragen des partikelförmigen Baumaterials in einem 3D-Drucker nach dem Stand der Technik,
Fig. 2: eine perspektivische Darstellung einer Ansammlung des partikelförmigen Baumaterials auf einem Baufeld,
Fig. 3: eine beispielhafte Verteilung von Kräften, welche bei einer Bewegung eines Mittels, wie einer Klinge, über einem Baufeld auf den Untergrund einwirken, Fig. 4: eine Anordnung mit einem Mittel zum Entfernen beziehungsweise Abführen des partikelförmigen Baumaterials aus der Ansammlung nach dem Stand der Technik,
Fig. 5: eine erste erfindungsgemäße Anordnung mit einer Absaugung zum Absaugen von partikelförmigem Baumaterial aus der Ansammlung,
Fig. 6: eine weitere erfindungsgemäße Anordnung mit einer Absaugung zum Absaugen von überschüssigem partikelförmigem Baumaterial aus der Ansammlung,
Fig. 7: ein erfindungsgemäßes Mittel in einer perspektivischen Darstellung,
Fig. 8: das erfindungsgemäße Mittel aus der Figur 7 in einer Ansicht von oben und Fig. 9: eine Rückführung des überschüssigen partikelförmigen Baumaterials aus einer Ansammlung in den Vorratsbehälter beispielhaft am Stand der Technik dargestellt.
Die Figur 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung 1 zum Austragen des partikelförmigen Baumaterials 2 in einem 3D-Drucker nach dem Stand der Technik. Eine derartige Anordnung 1 wird auch als Austräger 1 bezeichnet. Diese Anordnung 1 zum Austragen des partikelförmigen Baumaterials 2 ist beispielhaft und kann durch andere gleichwirkende Mittel ersetzt werden, ohne den Kern der vorliegenden Erfindung zu beeinflussen.
Vorgesehen ist es, dass der Austräger 1 über einem Baufeld 3 in der mit dem Pfeil 4 gezeigten Bewegungsrichtung horizontal bewegt werden kann.
Dargestellt ist der Austräger 1 in einer Momentaufnahme, in welcher partikelförmiges Baumaterial 2 durch einen Auslass 5 aus einem Vorratsbehälter 8 austritt und als Austrag 6 zur Oberfläche des Baufelds 3 gelangt, um dort eine neue Schicht aus partikelförmigem Baumaterial 2 mit einer festgelegten Schichtdicke 7 auszubilden. Zur Ausbildung dieser Schicht aus partikelförmigem Baumaterial 2 mit einer festge- legten Schichtdicke 7 wird nach dem Stand der Technik üblicherweise auch ein Mittel 9 zum Glätten der Schicht aus partikelförmigem Baumaterial 2, wie beispielsweise eine Klinge, eingesetzt.
Der Austräger 1 weist zur Bevorratung des partikelförmigen Baumaterials 2 einen trichterförmigen Vorratsbehälter 8 auf. Dieser trichterförmige Vorratsbehälter 8 ist längsersteckt über die Breite des Baufelds 3 ausgebildet, wobei seine Länge ein Vielfaches seiner Breite aufweist.
Der Vorratsbehälter 8 weist eine Öffnung beziehungsweise einen Auslass 5 auf. Am Auslass 5 ist ein in der Figur 1 nicht dargestelltes Auslassmittel angeordnet, mit welchem es verhindert wird, dass partikelförmiges Baumaterial 2 ungewollt auf das Baufeld 3 gelangt.
Ein Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials 2 auf das Baufeld 3 wird dadurch erreicht, dass das Auslassmittel derart angesteuert wird, dass das partikelförmige Baumaterial 2 im Bereich des Auslasses 5 freigegeben wird, wodurch das partikelförmige Baumaterial 2 über den Auslass 5 ausgelassen, den Austrag 6 bildend, zum Baufeld 3 gelangt. Zeitgleich wird der Austräger 1 in der mit dem Pfeil 4 dargestellten Bewegungsrichtung über das Baufeld 3 bewegt und eine neue Schicht des partikelförmigen Baumaterial 2 auf dem Baufeld 2 aufgetragen. Wie bereits erwähnt, wird das derart aufgetragene partikelförmige Baumaterial 2 durch ein Mittel 9 zum Glätten der Schicht des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials 2, wie beispielsweise mit einer Klinge, geglättet oder geglättet und verfestigt. Hierfür wird auch das Mittel 9 zum Glätten in der mit dem Pfeil 4 dargestellten Bewegungsrichtung über das Baufeld 3 bewegt, wobei die Bewegungsgeschwindigkeit des Austrägers 1 und des Mittels 9 zum Glätten über dem Baufeld 3 gleich sein können.
Zur Steuerung der Menge des auszulassenden partikelförmigen Baumaterials 2 wird das Auslassmittel entsprechend angesteuert, wobei infolgedessen beispielsweise mehr fluidisiertes partikelförmiges Baumaterial 2 durch den Auslass 5 austreten kann und die Größe beziehungsweise Menge einer sich vor dem Mittel 9 zum Glätten bildenden Ansammlung 10 von partikelförmigem Baumaterial 2 zunimmt.
Alternativ kann das Auslassmittel derart angesteuert werden, dass gleich viel oder weniger partikelförmiges Baumaterial 2 ausgelassen wird. Somit wird erreicht, dass die Größe beziehungsweise Menge der sich vor dem Mittel 9 zum Glätten bildenden Ansammlung 10 von partikelförmigem Baumaterial 2 gleich bleibt oder abnimmt.
Für den Fall, dass besondere Anforderungen an die Genauigkeit der zu erzeugenden 3D-Struktur gestellt werden, wobei Abweichungen bei der Herstellung einer 3D- Struktur kleiner als ± 0,5 mm, insbesondere kleiner als ± 0,3 mm, betragen sollen, reicht eine derartige Steuerung der aufgetragenen Schicht des partikelförmigen Baumaterials 2 nicht aus.
Die Figur 1 zeigt eine Darstellung einer Seitenansicht einer Ansammlung 10 des partikelförmigen Baumaterials 2 auf einem Baufeld 3 in einem 3D-Drucker aus dem Stand der Technik. Das Mittel 9 zum Glätten des ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials 2 ist beispielhaft als eine Klinge dargestellt und wird über das Baufeld 3 in der mittels des Pfeils 4 dargestellten Bewegungsrichtung bewegt.
Vor dem Mittel 9 zum Glätten des ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials 2 bildet sich eine Ansammlung 10 des partikelförmigen Baumaterials 2 aus. Der von der Ansammlung 10 umfasste Bereich ist in der Figur 1 zum besseren Verständnis mittels einer Strich-Strich-Linie umrandet dargestellt.
Wird das Mittel 9 zum Glätten des ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials 2 über das Baufeld 3 bewegt, wird eine neue Schicht des partikelförmigen Baumaterials 2 mit der vorgegebenen Schichtdicke 7 aufgetragen.
Die in der Figur 1 dargestellte Ansammlung 10 weist eine Tiefe T 11 , eine Breite B 12 und eine Höhe H 13 auf. Die in der Figur 1 nicht gezeigte Breite B 12 der Ansammlung 10 erstreckt sich sozusagen in die Tiefe der Darstellung der Figur 1.
Beispielsweise für den Fall, dass die Höhe H 13 der Ansammlung 10 einen maximal notwendigen Wert überschreitet, kann es zu einer Verschlechterung der Qualität der aktuell aufzutragenden Schicht und somit zu einer Beeinflussung der Genauigkeit der zu erzeugenden 3D-Struktur kommen.
Der Grund hierfür kann eine zunehmende Kraft auf darunterliegende Schichten des partikelförmigen Baumaterials 2 sein. Eine unzulässig hohe Kraft führt beispielsweise zum ungleichförmigen Absacken oder Verdichten einzelner Bereiche in einer Schicht oder in mehreren Schichten des aufgetragenen partikelförmigen Baumateri- als 2. Alternativ kann die unzulässig hohe Kraft die Dichte von Teilbereichen einer oder mehrerer darunterliegender Schichten beeinflussen. Neben einer Beeinflussung des partikelförmigen Baumaterials 2 kann es auch zu einer Beeinflussung von bereits verfestigten Bereichen, welche die 3D-Struktur ausbilden sollen, kommen. Eine derartige Beeinflussung führt beispielsweise durch ein Komprimieren oder Verschieben eines derartigen bereits verfestigten Bereichs zu Abweichungen in der Maßgenauigkeit der zu erzeugenden 3D-Struktur.
Zur Vermeidung derartiger Beeinflussungen auf die zu erzeugende 3D-Struktur und zur Gewährleistung einer gleichbleibenden Qualität beim Aufträgen des partikelförmigen Baumaterials 2 wird durch das vorliegende Verfahren die Menge beziehungsweise das Volumen oder die Höhe H 13 der Ansammlung 10 beispielsweise über die Länge des Mittels 9 zum Glätten beziehungsweise die Breite B 12 der Ansammlung 10 konstant gehalten beziehungsweise auf einen definierten Wert geregelt.
In der Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung einer Ansammlung 10 des partikelförmigen Baumaterials 2 auf einem Baufeld 3 in einem 3D-Drucker nach dem Stand der Technik dargestellt.
Zur besseren Verdeutlichung zeigt die Figur 2 einen Ausschnitt der aus partikelförmigem Baumaterial 2 bestehenden Ansammlung 10 über dem Baufeld 3 in einer Perspektivdarstellung. Die Ansammlung 10 ist vor einem Mittel 9 zum Glätten dargestellt, betrachtet in der mittels Pfeil 4 dargestellten Bewegungsrichtung des Mittels 9 zum Glätten. Ein derartiges Mittel 9 zum Glätten ist beispielsweise eine Klinge, mittels welcher das partikelförmige Baumaterial 2 geglättet oder geglättet und verdichtet wird. Die Figur 2 zeigt auch die Abmessungen Breite B 12, Tiefe T 11 und Höhe H 13 der Ansammlung 10. Die Abmessungen Tiefe T 11 und Höhe H 13 können in der Breite der Klinge 9 beziehungsweise der Breite B 12 der Ansammlung 10 variieren, was in der Figur 2 nicht dargestellt ist.
Die Figur 3 zeigt eine beispielhafte Verteilung von Kräften, welche bei einer Bewegung eines Mittels 9 zum Glätten, wie einer Klinge, über einem Baufeld 3 auf den Untergrund einwirken. Bezüglich der Figur 3 wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 verwiesen, in welcher die in der Figur 3 erneut dargestellten Bestandteile bereits erläutert wurden. Das Mittel 9 zum Glätten wird über die Oberfläche des Baufelds 3 horizontal beispielsweise in der durch den Pfeil 4 gezeigten Bewegungsrichtung bewegt. Vor der Klinge 9 bildet sich eine Ansammlung 10 durch das zu viel ausgetragene partikelförmige Baumaterial 2.
Bedingt durch die Bewegung der Klinge 9, welche in einem von der Lotsenkrechten abweichenden Winkel ausgerichtet angeordnet sein kann, und das Eigengewicht des in der Ansammlung 10 befindlichen ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials 2 kommt es zur Entstehung von Kräften.
Derartige Kräfte weisen allgemein eine horizontale Komponente und eine vertikale Komponente auf. Die horizontale Komponente, welche als Kraft FH bezeichnet wird, wirkt parallel zur Oberfläche des Baufelds 3 in einem Bereich der letzten aufgetragenen Schicht des partikelförmigen Baumaterials 2. Die Kraft FH wird durch die horizontale Bewegung des Mittels 9 zum Glätten, wie einer Klinge, verursacht.
In der Figur 3 sind die hier erläuterten Kräfte beispielhaft an einem Angriffspunkt 14 eingezeichnet, welcher im Bereich der Oberfläche der im aktuellen Arbeitsgang beziehungsweise Beschichtungsvorgang zu erzeugenden Schicht des partikelförmigen Baumaterials 2 liegt.
Die vertikale Komponente, welche als Kraft Fv bezeichnet wird, wirkt lotsenkrecht zur Oberfläche des Baufelds 3 beziehungsweise lotsenkrecht zu der letzten aufgetragenen Schicht des partikelförmigen Baumaterials 2. Die Kraft Fv wird durch die Gewichtskraft des partikelförmigen Baumaterials 2, insbesondere des in der Ansammlung 10 befindlichen partikelförmigen Baumaterials 2, verursacht. In der Praxis kommt es zu einer Überlagerung der Kräfte FH und Fv und zur Entstehung einer resultierenden Kraft FR. Diese resultierende Kraft FR ist in einem Winkel zwischen 0° und 90° zur Oberfläche des Baufelds 3 beziehungsweise einer nicht in der Figur 3 dargestellten Lotsenkrechten gerichtet, welcher durch die Anteile der Kräfte FH und Fv bestimmt wird und an verschiedenen Stellen der Ansammlung 10, insbesondere entlang der Breite 12 der Ansammlung 10, verschieden sein kann. Ebenso kann der Betrag der resultierenden Kraft FR an verschiedenen Stellen unterschiedlich groß sein. In der Figur 3 ist die resultierende Kraft FR mittels eines Pfeils beispielhaft in einem Winkel von etwa 30° zur Oberfläche des Baufelds 3 dargestellt.
Durch diese auf den Untergrund einwirkenden resultierenden Kräfte FR kann es zu beispielsweise horizontalen Verschiebungen in einer oder mehreren Schichten des bereits aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials 2 kommen, welche auch teilweise selektiv verfestigt sein können. Hierdurch kommt es zu Ungenauigkeiten bezüglich der Abmessungen der zu erzeugenden 3D-Struktur und zu einer Verschlechterung der Qualität der erzeugten 3D-Strukturen.
Die Figur 4 zeigt eine Anordnung mit einem Mittel zum Entfernen beziehungsweise Abführen des partikelförmigen Baumaterials 2 aus der Ansammlung 10 nach dem Stand der Technik. Im Beispiel der Figur 4 ist das Mittel zum Entfernen beziehungsweise Abführen des partikelförmigen Baumaterials 2 eine Absaugung 15 zum Absaugen von partikelförmigen Baumaterial 2 aus der Ansammlung 10, welche teilweise mittels einer Strich-Strich-Linie dargestellt ist.
Die Absaugung 15 ist, gesehen in der Bewegungsrichtung 4 eines Mittels 9 zum Glätten, vor dem Mittel 9 zum Glätten des partikelförmigen Baumaterials 2, wie einer Klinge 9, und über der Ansammlung 10 angeordnet. Wie bereits erläutert, bildet sich vor der Klinge 9, welche in Richtung des Pfeils 4 über das Baufeld 3 bewegt wird, die Ansammlung 10, welche eine Tiefe 11 und eine Höhe 13 aufweist.
Die Absaugung 15 weist einen Anschluss 16 auf. Die Absaugung 15 kann ein Mittel 17 zur Erzeugung eines regelbaren Unterdrucks beinhalten, welches in der Figur 4 nicht dargestellt ist. Alternativ ist die Absaugung 15 über den Anschluss 16 mit einem Mittel 17 zur Erzeugung eines regelbaren Unterdrucks verbunden. Der durch das Mittel 17 zur Erzeugung eines regelbaren Unterdrucks erzeugte Unterdrück bewirkt ein Absaugen von überschüssigem partikelförmigen Baumaterial 2 aus der Ansammlung 10 in die mittels mehrerer paralleler Pfeile dargestellte Richtung 18 der Partikelbewegung.
Die bauliche Einheit, bestehend aus der Absaugung 15 und dem Anschluss 16, kann in ihrem Abstand zur Ansammlung 10 beziehungsweise zur Oberfläche des Baufelds 3 verändert werden, was mittels eines Doppelpfeils in der Figur 4 dargestellt ist Die Figur 5 zeigt eine erste erfindungsgemäße Anordnung mit einer Absaugung 15 zum Absaugen von überschüssigem partikelförmigen Baumaterial 2 aus der Ansammlung 10. Wie bereits bekannt, bewegt sich das Mittel 9 zum Glätten in der mit dem Pfeil 4 dargestellten Bewegungsrichtung über das Baufeld 3, wobei sich vor dem Mittel 9 zum Glätten die Ansammlung 10 ausbildet.
Vorgesehen ist es in dieser Ausführung, dass das Mittel 9 zum Glätten zweiteilig ausgeführt wird und aus einem L-förmigen Klingengrundkörper 19 und einem beweglichen Klingenblech 20 besteht. Vorgesehen ist es auch, dass das Klingenblech 20 in den durch die Doppelpfeile dargestellten Richtungen bewegbar ist. Die Bewegung beziehungsweise Verschiebung des Klingenblechs 20 wird durch ein geeignetes Mittel zur Bewegung des Klingenblechs 20 in den mittels Doppelpfeil dargestellten Richtungen erreicht, wobei dieses Mittel in der Figur 5 nicht dargestellt ist. Somit kann durch eine Bewegung beziehungsweise Verschiebung des Klingenblechs 20 eine Veränderung der Spaltgröße des Spalts 22 automatisiert vorgenommen werden.
Der Klingengrundkörper 19 ist L-förmig ausgeführt und weist eine Klingentasche 21 auf, welche im Inneren der zweiteiligen Klinge 9 in einem Bereich ausgeformt ist, welcher am tiefsten liegt beziehungsweise einen kleineren Abstand zur Oberfläche des Baufelds 3 aufweist als eine Unterkante 24 des Klingengrundkörpers 19 an der Stelle des sich ausbildenden Spalts 22. Für den Fall, dass durch den Spalt 22 eingesaugtes überschüssiges partikelförmiges Baumaterial 2 bedingt durch die Schwerkraft nicht von der Absaugung 15 über den Anschluss 16 abtransportiert werden kann und in Richtung Baufeld 3 zurückfällt, wird es in der Klingentasche 21 aufgenommen und rutscht nicht zurück über den Spalt 22 in die Ansammlung 10.
Wie es in der Figur 5 zu erkennen ist, liegt der tiefste Punkt der Klingentasche 21 in einem Abstand 23 unterhalb der Unterkante 24 des Klingengrundkörpers 19 an der Stelle des sich ausbildenden Spalts 22.
Die Unterkante 24 des Klingengrundkörpers 19, welche einen Abstand A zur Oberfläche des Baufelds aufweist, wird derart in der Klinge 9 angeordnet beziehungsweise ausgeführt, dass mittels dieser Unterkante 24 die Höhe H 13 der Ansammlung 10 bestimmt werden kann, da partikelförmiges Baumaterial 2, welches sich oberhalb des Abstands A befindet, durch den Spalt 22 eingesaugt und in einen Vor- ratsbehälter 8 eines Austrägers 1 abtransportiert werden kann. Durch diese sich parallel zur Oberfläche des Baufelds erstreckende Unterkante 24 wird überschüssiges Partikelmaterial aus der Ansammlung 10 an allen Stellen ihrer Längserstrec- kung beziehungsweise Breite B 12, auch bei unterschiedlichen Höhen H 13 der Ansammlung 10, abgesaugt, wenn die Ansammlung 10 zumindest punktuell höher als die minimal notwendige Höhe Hmjn ist. Der Abstand A des Klingengrundkörpers 19 wird beispielsweise derart bereitgestellt, dass der Abstand A der minimal notwendigen Höhe Hmin entspricht. Derart wird es erreicht, dass die Ansammlung 10 entlang ihrer Längserstreckung beziehungsweise Breite B 12 eine gleichmäßige Höhe H 12 aufweist, was auch zu einer gleichmäßigen Verteilung der auf Schichten des partikelförmigen Baumaterials 2 wirkenden resultierenden Kräfte FR führt. Diese gleichmäßig wirkenden resultierenden Kräfte FR führen zu einer Verbesserung der Qualität der zu erzeugenden 3D-Struktur, welche somit geringere Abweichungen beziehungsweise eine verbesserte Maßgenauigkeit aufweist.
In der Figur 6 ist eine weitere erfindungsgemäße Anordnung mit einer Absaugung 16 zum Absaugen von überschüssigem partikelförmigen Baumaterial 2 aus der Ansammlung 10 dargestellt. Das Mittel 9 zum Glätten wird in der mit dem Pfeil 4 dargestellten Bewegungsrichtung über das Baufeld 3 bewegt, wobei sich vor dem Mittel 9 zum Glätten die Ansammlung 10 ausbildet.
Vorgesehen ist es auch in dieser Ausführung, dass das Mittel 9 zum Glätten zweiteilig ausgeführt wird und aus einem L-förmigen Klingengrundkörper 19 und einem beweglichen L-förmigen Klingenblech 20 besteht. Vorgesehen ist es weiterhin, dass das Klingenblech 20 in den durch die Doppelpfeile dargestellten Richtungen bewegbar ist. Die Bewegung beziehungsweise Verschiebung des Klingenblechs 20 wird durch ein geeignetes Mittel zur Bewegung des Klingenblechs 20 in den mittels Doppelpfeil dargestellten Richtungen erreicht, wobei dieses Mittel in der Figur 6 nicht dargestellt ist. Somit kann durch eine Bewegung beziehungsweise Verschiebung des Klingenblechs 20 eine Veränderung der Spaltgröße des Spalts 22 automatisiert vorgenommen werden.
In dieser Ausführung weist das Klingenblech 20 eine Klingentasche 21 auf, welche im Inneren der Klinge 9 ausgeformt ist. Für den Fall, dass durch den Spalt 22 eingesaugtes überschüssiges partikelförmiges Baumaterial 2 bedingt durch die Schwerkraft nicht von der Absaugung 15 über den Anschluss 16 abtransportiert werden kann und in Richtung Baufeld 3 zurückfällt, wird es in der Klingentasche 21 aufgenommen und rutscht nicht zurück über den Spalt 22 in die Ansammlung 10.
Die in der Figur 6 dargestellte Ausführung weist eine Klingenschneide 25 auf, welche im unteren Bereich des Klingengrundkörpers 19 angeordnet ist. Die Klingenschneide 25 wird derart mit ihrer tiefsten Stelle beziehungsweise mit ihrer Unterkante über dem Baufeld 3 positioniert, dass sich bei der Bewegung der Klinge 9 mit ihrer Klingenschneide 25 über das Baufeld 3 eine neue Schicht des aufgetragenen partikelförmigen Baumaterials 2 unterhalb der Klingenschneide 25 mit einer vorgegebenen und gewünschten Schichtdicke 7 ergibt. Das überschüssige partikelförmige Baumaterial 2 wird über die Oberseite der Klingenschneide 25 zur längsersteck- ten Öffnung mit der einstellbaren Spaltgröße 22 in Richtung 18 der Partikelbewegung über die Absaugung 15 und den Anschluss 16 zu einem nicht dargestellten Vorratsbehälter 8 des Austrägers 1 befördert.
Die am Klingengrundkörper 19 angeordnete Klingenschneide 25 ist derart befestigt, dass sie im Bedarfsfall bei Auftreten einer entsprechenden Abnutzung separat ausgetauscht werden kann.
Die Figur 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Mittel 9 zum Glätten in einer perspektivischen Darstellung. Das Mittel 9 zum Glätten ist nur mit den zur Erklärung wesentlichen Bestandteilen dargestellt. Das Mittel 9 zum Glätten bewegt sich in der mit dem Pfeil dargestellten Bewegungsrichtung 4 horizontal über ein nicht dargestelltes Baufeld 3. Das Mittel 9 zum Glätten weist auch in dieser Ausführung einen Klingengrundkörper 19 und ein Klingenblech 20, also eine zweiteilige Ausführung, auf. An der unteren Seite des Klingenblechs 20 ist der längserstreckte Spalt 22 zwischen dem Klingenblech 20 und dem L-förmigen Klingengrundkörper 19 ausgebildet. Über diesen Spalt 22 wird das nicht dargestellte überschüssige partikelförmige Baumaterial 2 abgesaugt, wobei sich die Partikel in der mittels der Pfeile dargestellten Richtung 18 der Partikelbewegung bewegen. In der Figur 7 ist die Absaugung 15 sowie der Anschluss 16, über weichen das abgesaugte überschüssige partikelförmige Baumaterial 2 das Mittel 9 zum Glätten verlässt und zum Vorratsbehälter 8 gelangt, zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. Um zu verhindern, dass das in der nicht dargestellten Ansammlung 10 vor dem Mittel 9 zum Glätten befindliche partikelförmige Baumaterial 2 den Rand des nicht dargestellten Baufelds 3 verlässt und somit verlorengeht, weist das Mittel 9 zum Glätten an beiden Seiten beziehungsweise Enden je ein Leitprofil 26 auf. Mittels dieser Leitprofile 26 wird die Ansammlung 10 seitlich begrenzt und verhindert, dass die Ansammlung 10 in den Randbereichen eine geringere Höhe H 13 aufweist, da in diesen Randbereichen das partikelförmige Baumaterial 2 vom Baufeld 3 fallen beziehungsweise rieseln kann. Derart werden außerdem die Verluste an partikelförmi- gem Baumaterial 2 bei einer Überfahrt des Mittels 9 zum Glätten über das Baufeld 3 minimiert.
Auch in dieser Ausführung kann das Klingenblech 20 verschoben und derart die Spaltgröße des Spalts 22 eingestellt werden. Diese Möglichkeit ist in der Figur 7 nicht dargestellt.
Weiterhin kann der Klingengrundkörper 19 oder das Klingenblech 20 eine Klingentasche 21 aufweisen.
Ausführungen, in welchen am unteren Ende des Klingengrundkörpers 19 eine Klingenschneide 25 angeordnet ist, sind ebenfalls möglich.
In der Figur 8 ist das erfindungsgemäße Mittel aus der Figur 7 in einer Ansicht von oben dargestellt. Zu erkennen sind der Klingengrundkörper 19 und das Klingenblech 20, welche zusammen das Mittel 9 zum Glätten bilden.
An den Enden des Mittels 9 zum Glätten sind die Leitprofile 26 angeordnet, welche die nicht dargestellte Ansammlung 10 seitlich begrenzen. Derart wird verhindert, dass das in der Ansammlung 10 befindliche partikelförmige Baumaterial 2 das Baufeld 3 an den Seiten verlässt und somit dem 3D-Druckprozess nicht mehr zur Verfügung steht.
Das Leitprofil 26 kann am Klingenblech 20 oder am Klingengrundkörper 19 angeordnet und mit diesem mechanisch verbunden werden. Das Leitprofil 26 weist beispielsweise eine dreieckförmige seitliche Begrenzung auf, mit welcher das Leitprofil 26 vom Klingenblech 20 absteht und welche eine seitliche Begrenzung für die sich in Betrieb des 3D-Druckers ausbildende Ansammlung 10 ausbildet. Das Leitprofil 26 kann auch eine parallel zur Oberfläche des Baufelds 3 ausgerichtete drei- eckförmige Grundplatte aufweisen, welche einen allmählichen Übergang zwischen dem Leitprofil 26 und dem Mittel 9 zum Glätten, insbesondere dem Klingengrundkörper 19, ausbildet.
In der Figur 9 ist die Rückführung des überschüssigen partikelförmigen Baumaterials 2 aus einer AnsammlunglO in den Vorratsbehälter 8 beispielhaft am Stand der Technik dargestellt. Die Figur 9 ist nicht maßstabsgerecht und zeigt auch keine realen Abstände der Baugruppen voneinander, sondern dient nur zur Veranschaulichung des Prinzips der Rückführung des überschüssigen partikelförmigen Baumaterials 2 in den Vorratsbehälter 8.
Die Figur 9 zeigt einen über dem Baufeld 3 angeordneten Austräger 1 , welcher bereits aus der Figur 1 bekannt ist und somit nicht weiter beschrieben werden muss. Im rechten Teil der Figur 9 ist beispielhaft die aus der Figur 4 bekannte Anordnung mit einer Absaugung 15 zum Absaugen von partikelförmigem Baumaterial 2 aus der Ansammlung 10 dargestellt.
Das aus der sich vor dem Mittel 9 zum Glätten bildenden Ansammlung 10 entfernte beziehungsweise abgesaugte überschüssige partikelförmige Baumaterial 2 gelangt über die Absaugung 15, den Anschluss 16 und eine Leitung 27 zum Vorratsbehälter 8 des Aufträgers 1. Somit wird das überschüssige partikelförmige Baumaterial 2 dem Vorgang des Aufbringens des partikelförmigen Baumaterials 2 durch den Aufträger 1 unmittelbar zugeführt beziehungsweise zurückgeführt.
In der Figur 9 ist beispielhaft ein Mittel 17 zur Erzeugung des Unterdrucks in der Leitung 27 angeordnet. Ein derartiges Mittel 17 kann alternativ auch in der Absaugung 15 angeordnet werden. Ein derartiges Mittel 17 kann weiter alternativ auch mehrfach, beispielsweise an beiden Enden der Leitung 27, angeordnet werden. Wesentlich ist es, dass durch ein derartiges Mittel 17 ein regelbarer Unterdrück derart erzeugt wird, dass das überschüssige partikelförmige Baumaterial 2 aus der Ansammlung 10 entfernt und in den Vorratsbehälter 8 des Austrägers 1 transportiert wird, wie es im Beispiel der Figur 9 dargestellt ist. Das in Figur 9 dargestellte Mittel 9 zum Glätten kann gegen das erfindungsgemäße in der Figur 5 dargestellte Mittel 9 zum Glätten ausgetauscht werden, wobei die Funktionalität einer Rückführung des überschüssigen partikelförmigen Baumaterials 2 aus der AnsammlunglO in den Vorratsbehälter 8 erhalten bleibt. Liste der Bezugszeichen
1 Austräger
2 partikelförmiges Baumaterial
3 Baufeld
4 Pfeil / Bewegungsrichtung
5 Auslass
6 Austrag
7 Schichtdicke
8 Vorratsbehälter
9 Mittel zum Glätten / Klinge
10 Ansammlung
11 Tiefe T
12 Breite B
13 Höhe H
14 Angriffspunkt
15 Absaugung
16 Anschluss
17 Mittel zur Erzeugung eines regelbaren Unterdrucks
18 Richtung der Partikelbewegung
19 Klingengrundkörper
20 Klingenblech
21 Klingentasche
22 Spaltgröße / Spalt
23 Abstand
24 Unterkante
25 Klingenschneide
26 Leitprofil
27 Leitung

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial (2) in einem 3D- Drucker, welche ein Mittel (9) zum Glätten des von einem Austräger (1) auf ein Baufeld (3) ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (9) zum Glätten einen sich in einer Längserstreckung des Mittels (9) zum Glätten erstreckenden eingangsseitigen Spalt (22) aufweist, über welchen überschüssiges partikelförmiges Baumaterial (2) aus einer Ansammlung (10), welche sich in einer Bewegungsrichtung (4) vor dem Mittel (9) zum Glätten befindet, abgesaugt wird und dass das Mittel (9) zum Glätten eine ausgangsseitig angeordnete Absaugung (15) aufweist, dass das Mittel (9) zum Glätten einen Klingengrundkörper (19) und ein Klingenblech (20) aufweist, zwischen welchen sich ein Hohlraum ausbildet, welcher eingangsseitig mit dem Spalt (22) und ausgangsseitig mit der Absaugung (15) verbunden ist, und dass das Klingenblech (20) gegenüber dem Klingengrundkörper (19) verschiebbar angeordnet ist, wobei sich durch eine Verschiebung des Klingenblechs (20) gegenüber dem Klingengrundkörper (19) eine Spaltgröße des Spalts (22) verändert.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugung (15) über einen Anschluss (16) mit einem Vorratsbehälter (8) eines Austrägers (1) zur Rückführung des überschüssigen partikelförmigen Baumaterials (2) aus einer Ansammlung (10) in den Vorratsbehälter (8) verbunden ist, wobei ein Mittel (17) zur Erzeugung eines Unterdrucks im Mittel (9) zum Glätten oder am Mittel (9) zum Glätten oder an einer oder in einer mit dem Mittel (9) zum Glätten verbundenen Leitung (27) angeordnet ist.
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Klingenblech (20) oder im Klingengrundkörper (19) eine Klingentasche (21) angeordnet ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Klingengrundkörper (19) eine Klingenschneide (25) angeordnet ist und/oder dass am Klingengrundkörper (19) oder am Klingenblech (20) mindestens ein Leitprofil (26) angeordnet ist. Verfahren zum Aufträgen von partikelförmigem Baumaterial (2) in einem 3D- Drucker, wobei das partikelförmige Baumaterial (2) schichtweise auf einem Baufeld (3) des 3D-Druckers aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Arbeitsschritt des Glättens des von einem Austräger (1) auf eine Oberfläche des Baufelds (3) ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials (2), welches sich in einer Ansammlung (10) vor einem Mittel (9) zum Glätten ansammelt, eine Regelung der Höhe H (13) der Ansammlung (10) dadurch erfolgt, dass partikelförmiges Baumaterial (2) teilweise aus der Ansammlung (10) entfernt wird, dass das teilweise aus der Ansammlung (10) entfernte partikelförmige Baumaterial (2) in einen Vorratsbehälter (8) des Austrägers (1) zurückgeführt wird und dass das überschüssige partikelförmige Baumaterial (2) über einen im Mittel (9) zum Glätten angeordneten Spalt (22) mit einer veränderbaren Spaltgröße aus der Ansammlung (10) abgesaugt und in den Vorratsbehälter (8) des Austrägers (1) zurückgeführt wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur überschüssiges partikelförmiges Baumaterial (3), welches nicht zur Ausbildung einer minimal notwendigen Höhe Hmjn der Ansammlung (10) erforderlich ist, in den Vorratsbehälter (8) des Austrägers (1) zurückgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die minimal notwendige Höhe Hmin der Ansammlung (10) diejenige Höhe H (13) der Ansammlung (10) ist, welche benötigt wird, um eine Schicht des partikelförmigen Baumaterials (2) gleichmäßig, mit einer festgelegten Schichtdicke (7) und ohne Fehlstellen auf der Oberfläche des Baufelds (3) aufbringen zu können. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das überschüssige partikelförmige Baumaterial (2) in einem Bereich vor dem Mittel (9) zum Glätten, in einer Bewegungsrichtung (4) des Mittels (9) zum Glätten gesehen, aus der Ansammlung (10) abgesaugt und in den Vorratsbehälter (8) des Austrägers (1) zurückgeführt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge des abgesaugten überschüssigen partikelförmigen Baumaterials (2) in Abhängigkeit von der Menge des durch den Austräger (1 ) ausgetragenen partikelförmigen Baumaterials (2) oder in Abhängigkeit der Höhe H (13) der Ansammlung (10) oder in Abhängigkeit der unterhalb der im Arbeitsschritt des Glättens erzeugten Schicht liegenden Schicht oder Schichten geregelt wird.
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