NL2012198C2 - Inrichting voor het door middel van 3d-extrusie vormen van een werkstuk. - Google Patents

Description

Inrichting voor het door middel van 3D-extrusie vormen van een werkstuk.

De laatste jaren neemt het gebruik van 3D-extrusie voor het vervaardigen van werkstukken sterk toe. Dit betreft niet alleen het vervaardigen van prototypen en modellen, maar, mede veroorzaakt door de dalende prijzen van deze techniek, ook productie van kleine series.

De uitvinding betreft dan ook een inrichting voor het door middel van 3D-extrusie vormen van een werkstuk, waarbij de inrichting is voorzien van een frame, tenminste drie, zich op drie verschillende posities in het frame in verticale richting uitstrekkende, door middel van spilmotoren aandrijfbare spindels, een zich hoofdzakelijk horizontaal uitstrekkend werkplatform voor het dragen van het werkstuk, waarbij het werkplatform met elk van de spindels is verbonden en waarbij de verticale positie van het werkplatform op de positie waar het werkplatform met één van de spindels is verbonden, door de betreffende spindel instelbaar is, een met het frame verbonden verplaatsingsorgaan, dat is ingericht voor het in een hoofdzakelijk horizontaal bewegingsvlak verplaatsen van een drager, tenminste één aan de drager bevestigde extrusiekop, toevoermiddelen voor het aan de tenminste ene extrusiekop toevoeren van te extruderen materiaal en een besturingsorgaan voor het besturen van de spilmotoren, van het verplaatsingsorgaan, van de extrusiekop en van de toevoermiddelen.

Dergelijke inrichtingen zijn algemeen bekend. Het toepassen van 3D printen vereist een beweegbaarheid van de extrusiekop ten opzichte van het werkplatform, dat ook wel wordt aangeduid als een bed, in drie richtingen. Bij het hierboven toegelichte inrichting is het werkplatform inrichting om te bewegen in de verticale richting en is de extrusiekop ingericht om te bewegen in beide horizontale richtingen.

Voor het met een grote nauwkeurigheid vervaardigen van een werkstuk is het van groot belang dat het vlak waarin de extrusiekop kan bewegen, zo veel mogelijk parallel is aan het vlak van het werkplatform. Het digitale model dat de extrusiekop beweegt kent immers laagjes die achtereenvolgens worden opgebouwd bij bewegingen van de extrusiekop gevormd in een vlak. Wanneer de ondergrond niet precies parallel is aan het vlak waarin de extrusiekop zich beweegt, bestaat de kans dat de extrusiekop vastloopt tegen de kop of tegen al gevormd lagen, of dat het geëxtrudeerde materiaal geen ondergrond treft. Bij de stand van de techniek wordt dit wel opgelost door de onderste lagen van een werkstuk te vormen van een verwijderbaar, bijvoorbeeld in water oplosbaar materiaal, zoals ook wel bij deze techniek wordt gebruikt voor het opvullen van uitsparingen. Het toepassen van een dergelijk materiaal vereist het gebruik van een inrichting met tenminste twee extrusiekoppen en bijbehorende hulpapparatuur, terwijl niet kan worden uitgesloten dat de aanvankelijk aangebrachte lagen van verwijderbaar materiaal een ondergrond vormen die zich volledige parallel aan vlak uitstrekken waarin de extrusiekop beweegt.

De onderhavige uitvinding poogt een inrichting van de bovengenoemde soort te verschaffen, die, ook met gebruik van een enkele extrusiekop, de bovengenoemde nadelen vermijdt.

Dit doel wordt bereikt door een inrichting van de hierboven genoemde soort, waarbij de inrichting is voorzien van een meetinrichting voor het meten van de verticale positie van het werkplatform op in de nabijheid van de spindels gelegen meetposities en het besturingsorgaan is ingericht voor het tot in de nabijheid van de drager doen bewegen van het werkplatform, het in elk van de meetposities meten van de verticale positie van het werkplatform en het door middel van de spilmotoren corrigeren van de verticale positie van het werkplatform opdat het werkplatform zich parallel aan het bewegingsvlak van de drager uitstrekt.

Als gevolg van deze maatregelen wordt het werkplatform tot in een positie gebracht, waarbij het zich parallel aan het bewegingsvlak van de extrusiekop uitstrekt, zodat de laagjes geëxtrudeerd materiaal in parallelle lagen worden opgebouwd.

Er bestaan verscheidene mogelijkheden voor het implementeren van de uitvinding. Zo verschaft een eerste uitvoeringsvorm de mogelijkheid de meetinrichting aan het frame te bevestigen in de vorm van tenminste drie meetorganen die elk in de nabijheid van een spindel zijn aangebracht. Deze uitvoeringsvorm gaat uit van de veronderstelling dat het frame de referentie vormt en dat het vlak waarin het verplaatsingorgaan beweegt zich parallel aan een referentievlak van het frame uitstrekt. Deze uitvoeringsvorm maakt gebruik van meetorganen die aan het frame zijn bevestigd en waarvan de positie ten opzichte van het referentievlak van het frame bekend is en die de positie van het werkplatform meet en corrigeert wanneer noodzakelijk.

Bovenstaande uitvoeringsvorm maakt gebruik van de veronderstelling dat het bewegingsvlak van de extrusiekoppen zich parallel aan het referentievlak van het frame uitstrekt. Dit hoeft niet altijd het geval te zijn. Voor situatie waarin dit inderdaad niet het geval is, verschaft een verdere uitvoeringsvorm de maatregel dat de meetorganen zijn ingericht voor het meten van de verticale positie van de drager in elk van de meetposities en dat het besturingsorgaan is ingericht voor het achtereenvolgens naar de meetposities doen bewegen van de drager. Aldus wordt zowel bij het vaststellen van het bewegingsvlak van de extrusiekoppen als bij het vaststellen van het vlak van het werkplatform gerefereerd aan het referentievlak van het frame, zodat een eventuele scheefstand van het bewegingsvlak van de extrusiekoppen wordt gecompenseerd.

Het is echter eveneens mogelijk zonder referentie van het frame te werk te gaan. Hiertoe verschaft een andere uitvoeringsvorm de maatregel dat de drager is voorzien van een meetorgaan voor het vaststellen van de hoogte van het werkplatform ten opzichte van de drager en dat het besturingsorgaan is ingericht voor het naar de nabijheid van de drager doen bewegen van het werkplatform, het achtereenvolgens naar de meetposities doen bewegen van de drager, het in elk van de meetposities meten van de verticale positie van het werkplatform door middel van het meetorgaan en het door middel van de spilmotoren corrigeren van de verticale positie van het werkplatform opdat het werkplatform zich parallel aan het bewegingsvlak van de drager uitstrekt. Bij deze uitvoeringsvorm wordt aldus een meting uitgevoerd tussen de onderdelen van de inrichting die werkelijk bepalend zijn voor de nauwkeurigheid.

Volgens een eerste constructief aantrekkelijke uitvoeringsvorm is het meetorgaan voorzien van een in verticale richting in een geleider beweegbare pen en van een detector die bij het naar boven bewegen van de pen ten opzichte van de geleider bij het bereiken van een vooraf bepaalde positie een signaal afgeeft. Dit is een simpele, betrouwbare en nauwkeurige manier voor het meten van de betreffende afstand.

Het is echte niet uitgesloten dat, volgens een alternatieve uitvoeringsvorm het meetorgaan een door middel van laser werkende afstandmeter omvat. De laatste tijd komen op laser gebaseerde meetorganen tegen steeds lagere prijzen beschikbaar, zodat deze vorm van afstandsmeter een goed alternatief vormt.

Om de nauwkeurigheid van de meetprocedure te vergroten, heeft het de voorkeur dat het besturingsorgaan is ingericht voor het voorafgaande aan het vervaardigen van een product corrigeren van de verticale positie van het werkplatform. Hiermede wordt de ijking uitgevoerd kort voor het moment waarop de nauwkeurigheid van het grootste belang is.

Volgens een constructief aantrekkelijke uitvoeringsvorm omvat het verplaatsingsorgaan een eerste en een tweede, zich beide hoofdzakelijk horizontaal aan weerszijden van de door de spindels bepaalde ruimte uitstrekkende primaire geleiderad, een zich tussen de primaire geleiderails uitstrekkende, langs de primaire geleiderails beweegbare wagen, die is voorzien van een zich dwars op de primaire geleiderails uitstrekkende secundaire geleiderad, waarlangs de drager beweegbaar is en aandrijfmiddelen voor het langs de primaire geleiderails doen bewegen van de wagen en het langs de secundaire rails doen bewegen van de drager. Deze constructie maakt het mogelijk het meetorgaan aan de onderzijde van de drager aan te brengen.

Weer een andere constructief aantrekkelijke uitvoeringsvorm verschaft de maatregel dat de aandrijfmiddelen een in het frame geplaatste primaire motor omvatten, die is gekoppeld met een primair getand wiel dat door middel van een primaire getande band verbonden is met de wagen en een in het frame geplaatste secundaire motor omvatten die is gekoppeld met een secundair getand wiel dat door middel van een secundaire getande band is verbonden met de drager. Deze wijze van aandrijven van de drager leidt tot een lage massatraagheid, daar de motoren beide vast in het frame zijn bevestigd en deze relatief zware delen niet behoeven te worden bewogen.

De uitvinding verschaft ten slotte een werkwijze voor het parallel aan het bewegingsvlak van een extrusiekop van een 3D extrusiemachine brengen van een in door middel van spindels in verticale richting beweegbaar werkplatform, waarop het door de extrusiemachine te vervaardigen werkstuk wordt gevormd omvattende de stappen van het tot in de nabijheid van een drager waarop de extrusiekop geplaatst is, doen bewegen van het werkplatform, het achtereenvolgens naar meetposities in de nabijheid van de spindels doen bewegen van de drager, het in elk van de meetposities meten van de verticale positie van het werkplatform en het door middel van de spindels corrigeren van de verticale positie van het werkplatform. Toepassing van deze werkwijze leidt tot dezelfde voordelen als het gebruik van de hierboven toegelichte inrichtingen.

Vervolgens wordt de onderhavige uitvinding toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen, waarin voorstellen:

Figuur 1: een schematisch vooraanzicht van een inrichting volgens de uitvinding;

Figuur 2: een schematisch perspectivisch aanzicht van de in figuur 1 afgebeelde inrichting; en

Figuur 3: een schematisch doorsnedeaanzicht van een alternatieve uitvoeringsvorm.

De in de figuren 1 en 2 afgebeelde inrichting omvat een frame 1, dat in figuur 2 is weergegeven in de vorm van twee verticale hoekprofielen la en lb en een beide profielen verbindende staaf lc. Het zal duidelijk zijn dat het frame in de meeste gevallen zal zijn voorzien van overeenkomstige hoekprofielen aan de voorzijde van de inrichting. Het is echter eveneens mogelijk dat het frame de vorm heeft van een kast, waarin de onderdelen zijn geplaatst. Het frame 1 omvat voorts een bodemplaat 2, waarop, in het onderhavige geval op twee hoekpunten en op het midden van de overliggende zijde elk een voet 3 is geplaatst, waarin een zich verticaal uitstrekkende spindel 4 is gelagerd. Aan hun bovenzijde zijn de spindels 4 elk gelagerd in een bovenlager 5, dat met het frame 1 is verbonden. In elk van de voeten 3 is een als spindelmotor fungerende elektromotor 6 aangebracht, die de betreffende spindel 4 in rotatie kan aandrijven. In het huis van de spindelmotor 6 kan een tandwieloverbrenging zijn aangebracht. Boven de grondplaat 2 is een werkplatform 7 aangebracht dat zich zo veel mogelijk horizontaal uitstrekt. Het werkplatform 7 is verbonden met 3 moeren 8, waar de spindels 4 zich doorheen uitstrekken en mee zijn verbonden. Wanneer aldus één van de motoren 6 draait, zal de daarmede verbonden spindel 4 draaien, waardoor de daarop geplaatste moer 8 in verticale richting beweegt en het werkplatform 7 op de plaats van de moer 8 in hoogte wordt versteld en het werkplatform 7 zal kantelen. Bij synchroon gebruik van de drie spindelmotoren 6 zal het werkplatform 7 in zijn geheel in verticale richting worden bewogen.

Voor het aanbrengen van het geëxtrudeerde materiaal wordt gebruik gemaakt van een in zijn geheel met 10 aangeduid verplaatsingsorgaan, dat is voorzien van twee zich horizontaal en onderling parallel in de nabijheid van het boveneinde van het frame 1 uitstrekkende primaire geleiderails 11. Tussen deze geleiderails 11 is een wagen 12 aangebracht die in de lengterichting van de primaire geleiderails 11 langs de langs de primaire geleiderails 11 beweegbaar is. In de lengterichting van de wagen 12 is een secundaire geleidrad 13 aangebracht, waarlangs een drager 14 beweegbaar is. De drager 14 is aan zijn onderzijde voorzien van een extrusiekop 15. Door de gecombineerde beweging van de wagen 12 langs de primaire geleiderails 11 en van de drager 14 langs de secundaire geleiderad 15 kan de extrusiekop 15 over het gehele oppervlak van het werkplatform 7 worden bewogen. Voor het aandrijven van de wagen 12 langs de primaire geleiderails 11 wordt gebruik gemaakt van een vast met het frame verbonden, niet in de tekeningen weergegeven elektromotor, die door middel van een evenmin getoonde getande schijf en getande riem is verbonden met de wagen 12. Voor het aandrijven van de drager 14 langs de secundaire geleiderad 13 wordt gebruik gemaakt van een evenmin in de tekening weergegeven elektromotor die door middel van een getande schijf en een getande riem verbonden is met de drager 1. Deze getande riem is in twee richtingen langs de wagen geleid om de beweging van de drager 14 te ontkoppelen van die van de wagen 12. Uiteraard is de inrichting voorzien van een besturingsinrichting in de vorm van een digitaal rekentuig, voor het besturen van diverse elektromotoren en de extrusiekop zodat het gewenste product wordt gevormd. Het zal de vakman duidelijk zijn dat voorts middelen zijn voorzien voor het aan de extrusiekop toevoeren van te extruderen materiaal, zoals dat uit de stand van de techniek op zich bekend is. De tot nu toe beschreven inrichting komt overeen met een inrichting volgens de stand van de techniek.

Voor het verkrijgen van het effect van de uitvinding is bij de in de figuren 1 en 2 afgebeelde uitvoeringsvorm de drager 14 aan zijn onderzijde voorzien van een als meetorgaan fungerende taster 16. Deze taster 16 is verbonden met het digitale rekentuig dat is ingericht voor het uitvoeren van de volgende procedure.

Voorafgaande aan het produceren van een nieuw product of op enig ander gewenst moment, wordt het werkplatform 7 naar een positie in de nabijheid van de drager 14 gebracht. In veel gevallen zal dit de bovenste positie van het werkplatform 7 zijn. Vervolgens wordt de drager 14 bewogen naar een positie in de nabijheid van één van de spindels 4, en wordt door middel van de aan de onderzijde van de drager 14 bevestigde taster 16 de afstand tussen de drager 14 en het werkplatform op die positie gemeten. Deze meting wordt herhaald in de nabijheid van de andere spindels 4. Hiermede is informatie verkregen omtrent de mogelijke scheefstand van het werkplatform 7 ten opzichte van het vlak waarin de drager 14 en daarmede de extrusiekop 15 beweegt, vast te stellen. Ten slotte bestuurt het besturingsorgaan de spindelmotoren 6 zodanig dat het werkplatform 7 zich parallel aan de bewegingsvlak van de drager 14 uitstrekt. Vervolgens kan het product worden vervaardigd, waarbij het werkplatform 7 zich steeds parallel aan het bewegingsvlak van de drager 14 blijft uitstrekken door desbetreffende besturing van de spindelmotoren 6.

Figuur 3 toont een uitvoeringsvorm waarbij het frame is voorzien van een bovenplaat 20, aan de onderzijde waarvan drie afstandmeetorganen 21 is voorzien, waarvan er slechts twee in de tekening zijn weergegeven. Deze afstandmeetorganen 21 zijn ingericht voor het onder besturing van het digitale rekentuig meten van de afstand tussen het betreffende meetorgaan 21 en het werkplatform 7. Ook dan is het mogelijk dat het digitale rekentuig door middel van besturing van de spindelmotoren 6 het werkplatform 7 parallel aan de bovenplaat 20 justeert. Deze uitvoeringsvorm gaat uit van de veronderstelling dat het bewegingsvlak van de drager 14 zich parallel aan de bovenplaat 20 uitstrekt, hetgeen in het algemeen wel het geval zal zijn. Het is echter eveneens mogelijk door middel van de meetorganen 21 de positie van de drager 14 in de drie betreffende posities in de nabijheid van spindels 4 te meten, waarbij een eventuele scheefstand van de bovenplaat 20 ten opzichte van het bewegingsvlak van de drager 14 wordt gecompenseerd.

Het zal duidelijk zijn dat diverse variaties in de bovengenoemde uitvoeringsvormen kunnen worden aangebracht binnen het kader van de uitvinding zoals dat is gedefinieerd door de bijgaande conclusie. In het bijzonder kunnen maatregelen uit verschillende uitvoeringsvormen onderling worden gecombineerd. Voorts wordt erop gewezen dat de uitvoeringsvormen drie spindels kennen, maar dat de uitvinding eveneens toepasbaar is met twee, vier of meer spindels. In plaats van spindels is het mogelijk gebruik te maken van andere bestuurbare verticale verplaatsingsmiddelen.

Claims (10)

1. Inrichting voor het door middel van 3D-extrusie vormen van een werkstuk, waarbij de inrichting omvat: - een frame; - tenminste drie, zich op drie verschillende posities in het frame in verticale richting uitstrekkende, door middel van spilmotoren aandrijfbare spindels; - een zich hoofdzakelijk horizontaal uitstrekkend werkplatform voor het dragen van het werkstuk, waarbij het werkplatform met elk van de spindels is verbonden en waarbij de verticale positie van het werkplatform op de positie waar het werkplatform met één van de spindels is verbonden, door de betreffende spindel instelbaar is; - een met het frame verbonden verplaatsingsorgaan, dat is ingericht voor het in een hoofdzakelijk horizontaal bewegingsvlak verplaatsen van een drager; - tenminste één aan de drager bevestigde extrusiekop; - toevoermiddelen voor het aan de tenminste ene extrusiekop toevoeren van te extruderen materiaal; en - een besturingsorgaan voor het besturen van de spilmotoren, van het verplaatsingsorgaan, van de extrusiekop en van de toevoermiddelen, met het kenmerk, - dat de inrichting is voorzien van een meetinrichting voor het meten van de verticale positie van het werkplatform op in de nabijheid van de spindels gelegen meetposities; - dat het besturingsorgaan is ingericht voor het tot in de nabijheid van de drager doen bewegen van het werkplatform, het in elk van de meetposities meten van de verticale positie van het werkplatform en het door middel van de spilmotoren corrigeren van de verticale positie van het werkplatform opdat het werkplatform zich parallel aan het bewegingsvlak van de drager uitstrekt.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de meetinrichting aan het frame is bevestigd en is voorzien van tenminste drie meetorganen die elk in de nabijheid van een spindel zijn aangebracht.

3. Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de meetorganen zijn ingericht voor het meten van de verticale positie van de drager in elk van de meetposities en dat het besturingsorgaan is ingericht voor het achtereenvolgens naar de meetposities doen bewegen van de drager.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, - dat de drager is voorzien van een meetorgaan voor het vaststellen van de hoogte van het werkplatform ten opzichte van de drager; - dat het besturingsorgaan is ingericht voor het naar de nabijheid van de drager doen bewegen van het werkplatform, het achtereenvolgens naar de meetposities doen bewegen van de drager, het in elk van de meetposities meten van de verticale positie van het werkplatform door middel van het meetorgaan en het door middel van de spilmotoren corrigeren van de verticale positie van het werkplatform opdat het werkplatform zich parallel aan het bewegingsvlak van de drager uitstrekt.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het meetorgaan is voorzien van een in verticale richting in een geleider beweegbare pen en van een detector die bij het naar boven bewegen van de pen ten opzichte van de geleider bij het bereiken van een vooraf bepaalde positie een signaal afgeeft.

6. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk dat het meetorgaan een door middel van laser werkende afstandmeter omvat.

7. Inrichting volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat het besturingsorgaan is ingericht voor het voorafgaande aan het vervaardigen van een product corrigeren van de verticale positie van het werkplatform.

8. Inrichting volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat het verplaatsingsorgaan omvat: - een eerste en een tweede, zich beide hoofdzakelijk horizontaal aan weerszijden van de door de spindels bepaalde ruimte uitstrekkende primaire geleiderad; - een zich tussen de primaire geleiderails uitstrekkende, langs de primaire geleiderails beweegbare wagen, die is voorzien van een zich dwars op de primaire geleiderails uitstrekkende secundaire geleiderad, waarlangs de drager beweegbaar is; en - aandrijfmiddelen voor het langs de primaire geleiderails doen bewegen van de wagen en het langs de secundaire rails doen bewegen van de drager.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de aandrijfmiddelen een in het frame geplaatste primaire motor omvatten, die is gekoppeld met een primair getand wiel dat door middel van een primaire getande band verbonden is met de wagen en een in het frame geplaatste secundaire motor omvatten die is gekoppeld met een secundair getand wiel dat door middel van een secundaire getande band is verbonden met de drager.

10. Werkwijze voor het parallel aan het bewegingsvlak van een extrusiekop van een 3D extrusiemachine brengen van een in door middel van spindels in verticale richting beweegbaar werkplatform, waarop het door de extrusiemachine te vervaardigen werkstuk wordt gevormd omvattende de volgende stappen: - het tot in de nabijheid van een drager waarop de extrusiekop geplaatst is, doen bewegen van het werkplatform, - het achtereenvolgens naar meetposities in de nabijheid van de spindels doen bewegen van de drager, het in elk van de meetposities meten van de verticale positie van het werkplatform en het door middel van de spindels corrigeren van de verticale positie van het werkplatform.