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EP3986701A1 - Anordnung einer 3d-druckvorrichtung - Google Patents

Anordnung einer 3d-druckvorrichtung

Info

Publication number
EP3986701A1
EP3986701A1 EP20739251.5A EP20739251A EP3986701A1 EP 3986701 A1 EP3986701 A1 EP 3986701A1 EP 20739251 A EP20739251 A EP 20739251A EP 3986701 A1 EP3986701 A1 EP 3986701A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coater
process unit
print head
unit
arrangement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20739251.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bastian HEYMEL
Martin Sinzinger
Tobias LACHENMAIR
Ingo Ederer
Josef Grasegger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voxeljet AG
Original Assignee
Voxeljet AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voxeljet AG filed Critical Voxeljet AG
Publication of EP3986701A1 publication Critical patent/EP3986701A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/165—Processes of additive manufacturing using a combination of solid and fluid materials, e.g. a powder selectively bound by a liquid binder, catalyst, inhibitor or energy absorber
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    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
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    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
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    • B22F12/67—Blades
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for producing 3-D molded parts with at least one process unit, which is also particularly suitable for large-scale production of 3-D molded parts such as foundry cores and molds and other articles that are required in large numbers.
  • the European patent specification EP 0 431 924 B1 describes a method for producing three-dimensional objects from computer data.
  • a particle material is applied to a platform in a thin layer by means of a recoater and this is selectively printed with a binder material by means of a print head.
  • the particle area printed with the binder connects and solidifies under the influence of the binder and, if necessary, an additional hardener.
  • the construction platform is then lowered by a layer thickness or the coater / print head unit is raised and a new layer of particulate material is applied, which is also selectively printed as described above. These steps are repeated until the desired height of the object is reached.
  • a three-dimensional object (molded part) is created from the printed and solidified areas.
  • This object made of solidified particulate material is embedded in loose particulate material after its completion and is then freed from it. This is done for example by means of a suction device. Left over
  • Confirmation copy j then the desired objects, which are then further cleaned of the residual powder, e.g. by brushing off.
  • powder-based rapid prototyping processes such as e.g. selective laser sintering or electron beam sintering, in which a loose particle material is applied in layers and selectively solidified with the help of a controlled physical radiation source.
  • the particulate material required for the entire layer is presented to a thin blade. This is then moved over the construction area and spreads out the material presented and smooths it in the process.
  • Another type of layer application is the continuous application of a small volume of particulate material during the movement of the blade.
  • the blade is usually attached to the underside of a movable silo.
  • An adjustable gap is provided directly above or next to the blade, through which the particulate material can flow out of the silo. The outflow is stimulated by introducing vibrations into the silo blade system.
  • the selective solidification by means of liquid application and / or exposure to radiation follows. It is often necessary for the quality of the print that the distance between the moving printing device and the current layer plane is as constant as possible.
  • the components are usually in a build container after printing. This building container usually represents a cuboid volume. This volume is loaded with the most varied of geometries in order to fully utilize the machine.
  • State-of-the-art printers sometimes have construction containers that can be removed from the system and are also referred to as job boxes or construction containers. These serve as a limit for the powder and thus stabilize the building process. By changing the construction container, process steps can be parallelized and the system can thus be fully utilized.
  • known 3D printers still have the disadvantage that considerable downtimes of the machines mean a suboptimal degree of utilization.
  • 3D printing on the basis of powdered materials and the introduction of liquid binders is the fastest process among the layered construction techniques.
  • This process can be used to process various particle materials, including - but not exhaustively - natural biological raw materials, polymer plastics, metals, ceramics and sands.
  • the construction field level is determined by the coating blade in contact with the powder and its axis of travel.
  • the spare parts and their mounts must either be manufactured so precisely that the required parallelism is achieved is reproduced, or there must be facilities on one of the two elements that allow adjustment to each other.
  • 3D printing machines cannot be integrated into series production because they require too long downtimes for maintenance work and thus slow down the other production steps.
  • Another object of the application is to provide a device which, in addition to a high degree of automation and preferably enables in-line quality control.
  • the disclosure relates to an arrangement for building up molded parts in layers from a particulate material, comprising
  • the arrangement preferably automatically, feedable and installable process unit, which has a printing unit and a coater with a dynamic filling system; or / and an automatic feeder for a building container; and an adjustment device for offline preparation of the process unit.
  • the disclosure relates to an arrangement for building up molded parts in layers from a particulate material, comprising at least one process unit that can be supplied and installed in the arrangement, has a printing unit and a coater system and an adjustment device for offline preparation of the process unit.
  • the disclosure relates to an arrangement for building up molded parts in layers from a particulate material, comprising at least one process unit which can be fed and installed in the arrangement, a printing unit and a coater system and a digital, line camera or an IR camera that can be moved with the process unit Measurement of the construction field temperature and / or the print image.
  • the arrangement according to the present invention preferably has a heat sensor, for example an IR camera, for measuring a construction site temperature, and possibly an air conditioner.
  • this heat sensor can preferably be connected to the air conditioning unit via a control and process unit.
  • a line sensor is provided in the area between the application unit and the printing unit.
  • This line sensor is preferably connected to a further process and control unit in order to enable the process factors to be corrected directly, preferably in a closed loop, depending on the measurement by the line sensor.
  • FIG. 1 shows a schematic front view of an arrangement according to a preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a cross section of a process unit according to a further preferred embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows the process unit according to FIG. 2 in a plan view
  • FIG. 4 shows an adjusting device according to a further preferred embodiment of the invention in a front view
  • Figure 5 shows a transport box according to a further preferred one
  • Embodiment of the invention in a front view
  • FIG. 6 shows an illustration of a removal aid according to a preferred embodiment
  • FIG. 7 shows a coater and storage tank according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 shows the building container infeed (job box infeed) according to a preferred embodiment in a top view (a) and front view (b).
  • layer construction methods or “3D printing methods” are all methods known from the prior art that enable components to be built in three-dimensional shapes and are compatible with the method components and devices described below.
  • Binder jetting in the sense of the disclosure is to be understood that powder is applied in layers to a building platform, the cross-sections of the component on this powder layer are printed with one or more liquids, the position of the building platform is changed by one layer thickness to the last position and these steps are repeated until the component is finished.Binder jetting is also understood here to mean layered construction processes that require a further process component such as layer-by-layer exposure, for example with IR or UV radiation, and processes that also referred to as high speed sintering.
  • Molded body or “component” or “3D molded part” or “3D component” in the sense of the disclosure are all three-dimensional objects produced by means of 3D printing processes that have dimensional stability.
  • 3D printer or “printer” in the sense of the disclosure refers to the device in which a 3D printing process can take place.
  • a 3D printer in the sense of the disclosure has an application means for building material, for example a fluid such as a particulate material, and a solidification unit, for example a print head or an energy input means such as a laser or a heat lamp.
  • Further Machine components known to those skilled in the art and components known in 3D printing are combined with the above-mentioned machine components depending on the special requirements in the individual case.
  • Construction field is the level or, in a broader sense, the geometric location on which or in which a bed of particulate material grows during the construction process through repeated coating with particulate material.
  • the construction field is often made up of a floor, the "construction platform”, walls and an open top surface , the building level.
  • Process unit or “functional unit” in the sense of the disclosure denotes a means or a component with the use of which the result of the processes of coating and selective hardening can be achieved; these can include coaters (recoaters), print heads, nozzles, laser units, heat sources, UV light sources and / or other layer treatment agents.
  • the “printing” or “3D printing” process in the sense of the disclosure denotes the summary of the processes of material application, selective solidification or also printing and adjusting the working height and takes place in an open or closed process space.
  • a “receiving plane” in the sense of the disclosure is to be understood as the plane on which the building material is applied. According to the disclosure, the receiving plane is always freely accessible in one spatial direction by a linear movement.
  • Travel axis in the sense of the disclosure is an axis that carries a process unit or that can be created along it, is arranged above the construction site tools and has a wide travel path compared to the other axes in the system. "Travel axis” can, however, also indicate the direction in which, for example, a construction site tool is clocked and in Coordination with other device parts can be moved. A print head can also be moved on a "travel axis".
  • Construction field tool or “functional unit” in the sense of the disclosure are all means or device parts which are used for the application of fluid, e.g. Particulate material, and the selective solidification are used in the production of molded parts. All material application means and layer treatment means are also construction site tools or functional units.
  • “Spreading” in the sense of the disclosure means any way in which the particulate material is distributed. For example, a larger amount of powder can be presented at the start position of a coating run and distributed or spread into the volume of the layer by a blade or a rotating roller.
  • building material or “particulate material” or “powder” in the sense of the disclosure, all flowable materials known for 3D printing can be used, in particular in powder form, as a slip or as a liquid.
  • This can be, for example, sand, ceramic powder, glass powder, and others Powders made of inorganic or organic materials such as metal powder, plastics, wood particles, fiber materials, celluloses and / or lactose powder and other types of organic, powdery materials.
  • the particle material is preferably a dry, free-flowing powder, but a cohesive, cut-resistant powder can also be used . This cohesiveness can also result from the addition of a binder material or an auxiliary material such as a liquid.
  • particulate material in the form of a slip being free-flowing.
  • Synthetic resins such as epoxides are also used as building materials within the meaning of the disclosure or he considers acrylates.
  • particulate material can also be referred to as fluids for the purposes of the disclosure.
  • the "excess amount” or “overfeed” is the amount of particulate material that is pushed in front of the coater during the coating run at the end of the construction field.
  • “Coater” or “recoater” or “material application means” in the sense of the disclosure is the unit by means of which a fluid is applied to the construction field.
  • This can consist of a fluid storage container and a fluid application unit, wherein according to the present invention the fluid application unit has a fluid outlet and a "Squeegee device" includes.
  • This doctor blade device could be a coater blade.
  • any other conceivable suitable doctor blade device could also be used.
  • rotating rollers or a nozzle are also conceivable.
  • the material supply can be freely flowing via storage containers or extruder screws, pressurization or others
  • a coater with one material outlet opening or two material outlet openings in opposite directions can be used. Blades can be attached to the material outlet openings in order to apply the material. These can be controlled by generating vibrations and so the outlet can be controlled by bridging or cone formation in the powder material or the formation of bridges or cones can be broken by blowing in gas, for example circulating air.
  • the coater can be combined with print heads arranged laterally on it, so that a coating can take place bidirectionally and the binder can also be applied in both directions during the passage. This arrangement can also be combined with a digital, line camera or an IR camera for measuring the construction field temperature and / or the print image being preferably attached to both sides.
  • the coater can be part of a process unit.
  • the “print head” or means for selective solidification within the meaning of the disclosure is usually composed of various components. Among other things, these can be print modules.
  • the print modules have a large number of nozzles from which the "binder" is ejected in droplet form onto the construction field.
  • the print modules are oriented relative to the print head.
  • the print head is oriented relative to the machine. The position of a nozzle can thus be assigned to the machine coordinate system
  • the plane in which the nozzles are located is usually referred to as the nozzle plate.
  • Another means for selective solidification can also be one or more lasers or other radiation sources or a heat lamp.
  • a print head or one or more lasers can be used to selectively treat the layer and other layer treatment agents to start solidification.
  • An example of this would be printing the layer with UV reactive resins, which are then solidified by a UV light source.
  • the particulate material is printed with an IR absorber and then solidified with an infrared source.
  • the print head can be part of a process unit.
  • Layer treatment agents in the sense of the disclosure are all agents that are suitable to achieve a certain effect in the layer. This can include the aforementioned units such as print head or laser but also heat sources in the form of IR radiators or other radiation sources such as UV radiation. Means for de- or ionization of the layer are also conceivable. What all layer treatment agents have in common is that their zone of action is linearly distributed over the layer and that, like the other layer units such as print head or coater, they have to be guided over the construction field to cover the entire area Layer to achieve. “Actuators” in the sense of the disclosure are all technical means that are suitable for triggering the movement of layer treatment agents relative to one another within an exchangeable functional unit, or that carry out movements of individual parts or assemblies within the layer treatment agent.
  • Entry opening in the sense of the disclosure is the area on a 3D printing machine where the exchangeable functional unit is pushed in and out of the 3D printing machine for changing; this entry opening can be open or can be closed with suitable means such as a lock or a The opening and closing can be done with a separate control or by moving the interchangeable functional unit in and out, the closure is automatically opened and closed again. There can also be a kind of barrier at the entry opening, such as a slotted film or bristles through which the replaceable functional unit can be pushed.
  • a “suitable receiving means” in the sense of the disclosure is a means which is arranged at the target position and supports the positioning and the correct function of the exchangeable functional unit at the target position.
  • the positional tolerance of a replaceable functional unit within the 3D printing machine is defined by a suitable receiving means, and thus also the positional tolerance of the layer treatment means in relation to the construction field.
  • Connecting means in the sense of the disclosure can be rails, frames or other parts with which the functional units of the exchangeable functional unit are connected to one another and arranged in their three dimensions and which can optionally also serve to extend and retract the exchangeable functional unit in or out From the 3D printing machine, the functional units can also be directly connected to one another in a special embodiment and in addition, means can be attached to this interchangeable functional unit, which are intended for retraction and extension.
  • the connecting means are preferably designed in such a way that the individual functional units are easily accessible in order to adjust their position or to exchange them.
  • “Closure means” in the sense of the disclosure is any means that is used to close the inlet opening for the exchangeable functional unit, e.g. a flap, door, a slide, a row of brushes, etc.
  • “Supply” in the sense of the disclosure is the supply of energy, building material or other media such as compressed air or cooling water to the individual functional units.
  • the supply is preferably implemented so that it can be quickly coupled by suitable measures.
  • the coupling is preferably carried out at a common coupling position in the form of a Coupling strip or a coupling block
  • the supply can preferably be coupled without additional manual interaction, for example just by moving it in and out.
  • Preset in the sense of the disclosure means that the functional units contained in the interchangeable functional unit are coordinated with one another in position and position so that a simple approach to the target position, use of the securing means and production of the media supply is sufficient for the 3D- Printing machine can be put back into operation immediately after it has been retracted, without essentially any adjustment or readjustment or any setting in relation to the replaceable functional unit being required.
  • “Target position” in the sense of the disclosure is the point in the 3D printing machine up to which the exchangeable functional unit is inserted and at which it is preferably fixed with the securing means.
  • "Removal position” in the sense of the disclosure is the point in the 3D printing machine at which the functional unit must be in order to extend it from the device.
  • the control of the 3D printer accordingly has a command in which the removal position of the replaceable functional unit is This position is advantageously located above the construction field.
  • the removal position is still more advantageously approximately in the middle of the construction field.
  • the two possible end positions of the exchangeable functional unit are less suitable, since this is where the maintenance units for the construction field tools are usually located When changing the functional unit, the construction site tools should advantageously not be in contact with a current shift.
  • This process also ka nn are stored in the control, so that the lowering of the construction platform and the approach to the removal position take place as a combined sequence in preparation for the change of the functional unit.
  • Process unit in the sense of the disclosure is understood to mean the combination of several layer application means, layer treatment means and print head.
  • the process unit preferably consists of a central construction field-wide print head with a print head displacement axis, then on both sides there are two coaters or layer application means with the associated filling hoppers for feeding the particulate material.
  • further coating treatment means e.g. in the form of IR emitters
  • further inspection means such as line cameras can be located on the process unit.
  • the process unit has a self-supporting structure and can be separated from the system via a corresponding coupling device will.
  • Coupling point in the sense of the disclosure is understood to mean the position of the process unit in the system that is best suited to remove the process unit from the system. This can be, for example, a central position in which the process unit can be removed from the side or upwards can.
  • Application unit or “layer application unit” refers to a combination of coater and filling hopper.
  • Zero point clamps in the sense of the disclosure denote clamping means which are used for a repeatable, precise positioning of the respective clamping material.
  • a so-called line camera can be used.
  • This is a digital camera, the pixels of which are only elongated and distributed over the entire width of the construction field. A two-dimensional image is only created when the camera is moved over the image to be recorded and the recorded points are stored with the respective position of the line camera.
  • the advantage of this approach is that the camera takes up very little space. required and can be easily integrated into the process unit after the print head.
  • the process unit then preferably has two line cameras which are mounted to the left and right of the print head in order to be able to record each layer. Without restricting the generality, however, other camera systems can also be used which, for example, have appropriate optics to be able to record an image between the print head and the coater.
  • the device preferably has at least two camera systems which each record their images to the left and right of the print head or a camera which uses appropriate optics to record images to the left and right of the print head.
  • a complete layer image is produced as when using a line camera by combining several individual images that are recorded when the process unit moves over the construction field.
  • Offset axis in the sense of the disclosure denotes the device for shifting the print head transversely to the printing direction. In order to avoid overlaying weak or malfunctioning nozzles on the print head, it is advantageous to remove the print head by a certain amount, preferably not the same amount, before each print run This is done with the offset axis. In order for the print image to be of high quality, the offset axis must be sufficiently precise and have a good resolution. Usually, the resolution of the traverse movement should be at least half the print resolution. The positioning accuracy of the offset axis should be even higher Combinations of linear guides and a ball screw drive with servo motor are suitable for this task. All application units including the print head require regular cleaning. This cleaning can be done passively, for example with standing brushes. However, the cleaning devices can also actively carry out the cleaning process with their own movement means.
  • the disclosure relates, in one aspect, to an arrangement for layering
  • the arrangement preferably automatically, feedable and installable process unit, which has a printing unit and a coater with a dynamic filling system;
  • the disclosure relates to an arrangement for building up molded parts in layers from a particulate material, comprising at least one process unit that can be fed to the arrangement and installed, which has a printing unit and a coater system and a digital, line camera or an IR camera that can be moved with the process unit Measurement of the construction field temperature and / or the print image.
  • the adjustment device for offline preparation of the process unit is also provided, in particular, in order to minimize the downtimes of the arrangement in production. It is therefore proposed to adjust the process unit offline in a specially developed device.
  • This device can be provided, for example, with an integrated measuring device which allows the process unit to be set up, measured and, if necessary, readjusted in an installation situation according to the machine.
  • the adjusting device can for example be equipped with suitable guide elements, preferably a flatness of +/- 0.02 mm over the entire travel range, preferably approx. Im x 1.5m to move the measuring head in X and Y along the process unit.
  • the measuring head is an electronic device so that the measurement data can be automatically entered in a log.
  • the arrangement according to the present invention preferably has a heat sensor, for example an IR camera, for measuring a construction site temperature, and optionally an air conditioner or a heat source, e.g. in the form of an IR radiator.
  • this heat sensor can preferably be connected to the air-conditioning unit and / or to the heat source via a control and process unit.
  • a preferred embodiment proposes equipping the arrangement according to the invention with an IR sensor, e.g. an IR camera system, which enables continuous monitoring of the construction field temperature. If this sensor is then connected to the air conditioning unit via a process and control unit, an in-line closed-loop thermal management could take place.
  • an IR sensor e.g. an IR camera system
  • a line sensor is provided in the area between the application unit and the printing unit.
  • This line sensor is preferably connected to a further process and control unit in order to enable the process factors to be corrected directly, preferably in a closed loop, depending on the measurement by the line sensor.
  • a major disadvantage of the systems available on the market is that the print result only becomes visible at the end of the complete print, i.e. when the job box is unpacked. Since this can sometimes take several hours, a lot of valuable time goes by. Newer systems already use common camera systems to inspect the print image after each layer has been completed.
  • This technique cannot be used in particular with a bidirectional mode of operation. It is therefore proposed to mount a sensor between the print head and the coater so that an in-situ inspection of the print image is possible even with the bidirectional mode of operation.
  • a line camera was integrated between the right and left coater of the print head and then equipped with specially adapted software, which can then compare the real print image with the target image and thus indicate to the operator disruptions in the process at an early stage. The operator can then decide whether to interrupt the print or let it run to the end.
  • the system operator could also sort out individual components that may show conspicuous images when printing several components at the same time.
  • the device according to the invention it is advantageously possible to reduce or avoid the downtimes of 3D printing machines caused by maintenance work or the necessary replacement of parts or functional components susceptible to wear.
  • the machine running time can thus be increased and one or more 3D Printing machines, to be integrated into a network of other manufacturing systems, e.g. in series production, e.g. in vehicle construction.
  • the invention thus makes it possible for the first time to incorporate 3D printing machines into essentially fully automated production processes.
  • the invention thus advantageously contributes to a further automation of 3D printing processes per se as well as other manufacturing processes and series productions using 3D printing processes.
  • Such a 3D printing machine has the advantages set out above and also solves the tasks on which the application is based.
  • a 3D printing device disclosed here can have an insertion opening with a closure means, wherein the closure means can be opened and closed or the closure means is opened or penetrated by the process unit according to any one of claims 1 to 8 when moving in and out.
  • the disclosure relates to a method for extending and / or retracting, ie for changing or replacing, an exchangeable process unit as described above in or from a 3D- Printing device, where the process unit is moved to the 3D printing device with a lifting device, optionally a crane, a lifting platform or a lifting carriage, the process unit is moved into the inlet opening, is positioned at the target position in the 3D printing device and is by means of an or several securing means is determined.
  • a lifting device optionally a crane, a lifting platform or a lifting carriage
  • An exchangeable process unit is advantageously used which comprises several functional units and which are pre-adjusted so that complex and time-consuming setting work on the machine itself is not necessary.
  • print heads and coating blades are essential wear parts.
  • exposure units and / or irradiation units there are also exposure units and / or irradiation units.
  • these units must be aligned to one another within a certain framework.
  • the coater defines the position of the layer plane in space and the print head should be guided as constant as possible from the layer plane.
  • the coater is a unit for dispensing fluid media such as particulate materials, resins, slips or pastes in a defined form onto a base, so that a flat layer of this medium is created with a predetermined thickness.
  • a coater can be used to apply powder / particulate materials.
  • the coater could e.g. be designed as a roller that rotates in the opposite direction to the coating direction.
  • the reel could turn a
  • Particulate matter reservoir be expanded.
  • the reservoir could e.g. Dosing of particulate material in front of the roller is controlled by a rotary valve.
  • Another embodiment relates to a swing coater with a swinging suspended powder reservoir and a building field-wide gap in the lower area on one side of the powder container, which points in the coating direction.
  • the coater also has a drive that sets the reservoir in motion and lets the powder trickle out of the gap.
  • devices in the manner of an inkjet device can be used as the print head, but it is also conceivable to use selective exposure units such as lasers, projectors or mirrors via which selective exposure units can be projected onto the construction field.
  • selective exposure units such as lasers, projectors or mirrors via which selective exposure units can be projected onto the construction field.
  • other devices can also be used for Information transfer are used, such as toners or ink transfer rollers, which are known, for example, from laser printers or offset printing.
  • Exposure units are carried, which act like the coater on the entire width of the unit. These exposure units can e.g. in the UV range but also in the thermal radiation range, give off energy to the construction site. It can also be that drying units are carried along, e.g. work on the supply and removal of hot air.
  • the exchangeable process unit consists of combinations of several coaters, one or more print heads and several irradiation units.
  • the traversing axes are mounted in such a way that they can simply pick up the exchangeable process unit and move it across the construction field.
  • only one pair of axes is preferably required, which is located parallel to the coating direction on each side of the construction field.
  • the exchangeable process unit is moved from one reversal position to the other and produces a fully processed layer during this movement.
  • the machine can also have maintenance units that relate to parts of the exchangeable process unit and that must also be started up from time to time.
  • This can be, for example, a print head cleaning station and / or a recoater cleaning station.
  • such maintenance units could also be mounted on the replaceable process unit and replaced with it.
  • the system also has units for supplying the exchangeable process unit with media such as particle materials, inks and energy.
  • the facility has a rectangular construction field.
  • rectangular building areas have been found to be advantageous over square or differently shaped building areas in the binder jetting 3D printing method used here and the device arrangement according to the disclosure. In this way, the application of the application means can advantageously be optimized.
  • the construction field has a short side and a long side.
  • the application means are moved over the short side over the construction field.
  • the short side length is between 0.3 and 2.5 m, e.g. between 0.5 and 1.5 m.
  • the long side measures, for example, between 1.2 and 4 times the size of the short side, more advantageously between 1.2 and 2.5 times the size of the short side.
  • Linear axes are particularly suitable for this. These can guide the application agents over the construction field via a belt drive and servo motors. However, linear axes with spindle drives or linear motors are also possible.
  • the drive of the two axles can be synchronized via a connecting shaft or via a so-called electrical coupling of individual electrical drives on both axles.
  • the drives must be able to move the application material over the construction field at a uniform speed of movement of 0.2 - 2 m / s.
  • the linear axes have coupling points on which the application units are placed in a so-called process unit.
  • the coupling points are designed in such a way that they allow the process unit to be changed quickly and to bring the process unit back into the appropriate position without further adjustment steps.
  • the coupling points can be designed using a combination of so-called zero point clamps.
  • the process unit has application units for the particulate material and one or more fluids.
  • application units for the particulate material and one or more fluids.
  • layer treatment agents such as radiation sources or fumigants and inspection units such as line cameras.
  • the process unit is preferably designed symmetrically and has one or more print heads centrally. Preferably 1 to two printheads.
  • a print head is designed in such a way that it spans the entire long side of the construction field and can completely print it with a fluid in a suitable manner in one pass step.
  • the print heads are so-called drop-on-demand printing units with a large number of individually controllable nozzles.
  • the resolution of a print head is usually 90-2000 dpi, advantageously 150 to 1200 dpi.
  • the print head or heads have one or more fluid lines. They also have electrical contacts for transmitting the data and the control voltage as well as cables for generating overpressure or underpressure at the nozzles. All feed and discharge lines on the print head (s) are preferably designed to be coupled directly to the print head or in its vicinity.
  • the print head or heads have a holder which can be used to set and fix the position of the print head in relation to the construction field and the height above the construction field of the print head or heads in a suitable manner.
  • the print head or heads are mounted on what is known as an offset axis, which allows the print head to move transversely in the direction of the long side of the construction field.
  • the axis is designed in such a way that it can move the print head by at least one nozzle width, better still by 50 to 200 nozzle widths.
  • the displacement of the print head is activated in a suitable manner before each print run in order to avoid the superimposition of individual nozzles over the layer structure. Failed nozzles can be compensated for.
  • the particulate material is preferably fed into the printer from above.
  • the particulate material can be stored in a silo or fed continuously in some other way, the particulate material storage being essentially outside the system. From there, the particulate material is transported to the printer using a conveyor system. Screw conveyors or screws or systems based on positive or negative pressure are particularly suitable for this task.
  • the material is then temporarily stored in a storage container.
  • the storage tank also serves to distribute the material over the entire width of the coater.
  • the storage container is an elongated silo, the length of which essentially corresponds to the coater width.
  • the width of the storage container is usually the width of the coater hopper customized.
  • the width of the storage container should be smaller than that of the coater hopper.
  • the height of the storage container must be designed so that sufficient particulate material is available in the edge area for more than one coating run.
  • Advantageously enough particulate material should be available so that the coater hopper can be completely filled.
  • the distribution of the particulate material in the storage container can take place via the pouring cone, but this requires the container to be at a greater height.
  • the particulate material is distributed via a distribution device, for example a spiral or a screw, which is located in the upper part of the container over the length of the container. There is a closable outlet opening on the lower part of the storage container.
  • This opening is designed so that it extends into the coater hopper and transports the particulate material there.
  • a closure mechanism on the storage container is preferably designed in such a way that it enables the coating hopper to be filled at the same level, regardless of the filling state of the coating hopper before refilling.
  • Different concepts can be considered for this.
  • One possible solution is a sliding mechanism with a sequence of openings and webs and a standing counterpart shaped in the same way. If the moving part is moved in relation to the stationary part in such a way that the openings are superimposed, particulate material flows off. On the other hand, if the mechanism is shifted so that the openings meet the webs, no particulate material can flow out.
  • a suitable closure comprises a flap which extends over the length of the storage container and is suspended on the narrow sides with a pivot point in each case.
  • a suitable shape of a flap is, for example, a pipe section, the pivot points advantageously coinciding with the center of the pipe cross-section.
  • Such a flap can easily be operated, for example, by means of a lever and a pneumatic cylinder. If the storage container is above the filling funnel and the flap is opened, particulate material flows out of the Place the storage container in the filling funnel until a cone of material appears at the transition from the storage container to the filling funnel and the flow of particulate material is stopped. If the sand flap is then activated, it separates the pouring cone and closes the storage container. The filling funnel is then filled evenly over its entire width.
  • the particle material in the filling hopper is fed to the coater during the coating run. This is done either passively by simply draining it or actively e.g. through a rotary valve at the lower end of the filling funnel.
  • a coater There are various designs for the coater.
  • One possible embodiment comprises a roller which extends obliquely transversely to the coating direction and is operated in the opposite direction to the coating direction.
  • a more advantageous embodiment comprises a gap coater, which in turn is constructed from an elongated container which can hold particulate material. The container is suspended in such a way that it can oscillate around the longitudinal axis and is made to oscillate by a drive.
  • a slot-shaped outlet opening for the particulate material which extends in the direction of the longitudinal axis.
  • the opening can either be directed downwards towards the construction site or laterally towards the construction site. Particulate matter then flows onto the construction field in vibration mode.
  • Such a device can consist of a slotted tube, which is subjected to negative pressure, for example via a suction device. Floating or slowly sinking particles in the installation space atmosphere are extracted by the vacuum. Such a tube is preferably guided along the width of each of the two storage containers.
  • the coater whose filling funnel is being filled, is preferably located above a discharge funnel.
  • the discharge funnel is a container that is located below the construction level to the side of the construction site and has an opening in the construction level that is at least as wide as the construction site, but preferably a little wider.
  • the discharge funnel takes up excess particulate material that is in front of the coater, for example after a coating run. Particulate material also ends up in the discharge funnel, which escapes from the two containers when the coater or the filling funnel is being filled, or which may be scraped off after filling.
  • two discharge funnels can be arranged on both longitudinal sides of the construction field.
  • a dropping funnel can have a funnel-like shape that facilitates emptying.
  • the particulate material can be brought together at the lowest point of the funnel in such a way that it can easily be transported away via a pneumatic conveyor device or a screw conveyor or a screw conveyor.
  • the coaters can be cleaned dry using directed compressed air or brushes that are guided along or across the coater. Other cleaning mechanisms such as a wiping unit with a moist carrier medium or a scraper are also conceivable.
  • the Cleaning device can be carried out passively or actively. Passive means that a relative movement between the cleaning medium and the coater takes place through active movement of the coater. Active means that the coater is stationary and the cleaning device moves relative to the coater. Combinations of passive and active cleaning or different cleaning mechanisms are also conceivable.
  • the print head can be cleaned using a liquid cleaning medium that e.g. is guided along the dosing side of the print head via a brush, a wiper lip, an absorbent wiper lip, a sponge roller.
  • a liquid cleaning medium e.g. is guided along the dosing side of the print head via a brush, a wiper lip, an absorbent wiper lip, a sponge roller.
  • the cleaning devices In both cleaning cases it makes sense to arrange the cleaning devices on the outside so that the devices can be kept easily accessible for the operator. Access is necessary to check the function of the cleaning devices and to carry out regular maintenance and cleaning.
  • the printhead itself consists of a large number of print modules that have a limited number of nozzles. After the corresponding electrical signal has been applied, such pressure modules usually eject individual droplets of a liquid binder from their nozzles with the aid of piezo actuators.
  • the nozzles usually have a diameter of 10-100 ⁇ m.
  • the print modules are used either individually or in smaller groups in a so-called print head carrier. It must be ensured that the print modules in the print head carrier are aligned with one another in such a way that the nozzles of all modules have the same distance as possible across the printing direction. In the embodiment according to the invention, the print head carrier extends over the entire length of the construction field and a small distance beyond it.
  • the print head carrier has suitable receptacles for the print modules and is designed in such a way that it can carry the weight of the modules and at least its own weight in such a way that the sag of the print head over its length is only a few tenths of a millimeter.
  • the distance between the print head and the construction field is usually 1-8 mm, more preferably 2-5 mm. So that the print image to be generated on the construction field corresponds as closely as possible to the data model, this distance must be as equal as possible at every position of the construction field.
  • a tank system is located above the print head carrier with the print modules to supply the print modules with binder fluid.
  • the print head carrier is designed in such a way that it carries all attachments and has means for positioning and fixing in the system on the two end faces.
  • the system itself in turn has the appropriate counterparts and also a device for moving the print head transversely to the printing direction.
  • This facility consists e.g. from a threaded spindle drive on one side of the printhead mount and a displaceable bearing on the opposite side.
  • the threaded spindle drive is operated by a servomotor with a flange-mounted rotary encoder.
  • the tray has a linear scale which is, for example, parallel to one of the two guide systems for moving the process unit.
  • the probe head of this linear scale is attached to one of the coupling points on the linear axes and emits its signals when the process unit moves.
  • the modules of the print head are activated in response to these signals. This ensures that the desired print image is correctly deposited over the construction field regardless of the travel speed of the process unit.
  • the system or arrangement has a construction container, preferably an exchangeable job box with a construction platform located therein.
  • a job box is essentially a frame designed to prevent particulate matter from flowing off the build platform. Accordingly, the construction platform has a circumferential seal to the job box wall.
  • the job box including the build platform must be designed so that it can support the weight of the particulate material after a full job. Depending on the construction volume and material, this can be several hundred kilograms. Another requirement is that no or at least very little particulate material flows down through between the job box wall and the construction platform, even if the construction platform moves downwards during the construction job.
  • the system according to the invention has a change job box system.
  • a suitable pull-in system which also enables the job box to be extended, is a chain conveyor system in the system that preferably engages on both sides of the job box and pulls the box into and out of the system via guide rollers attached to the side on rails . It is obvious that other principles such as pneumatic cylinders, driven rollers and the like are also suitable for solving this problem.
  • the conveyor system in front of the system which picks up the job box outside, can, for example, have a driven roller conveyor on which the job box stands and which enables this box to be safely moved in and out of the system.
  • This conveyor system can be statically mounted in front of the system, but it can also be a self-propelled transport system.
  • the latter has the main advantage that the space in front of the system is only blocked during the discharge cycles.
  • the type of system described is suitable for all materials that can be processed with the binder jetting process. These are, for example, molding sands, plastic materials, ceramic powder and metals. Furthermore, the system can also be designed in such a way that so-called high-speed sintering can be carried out. In this case, the system has a suitable construction site heating system and other facilities for sintering the particulate material.
  • the plant can be operated with different binder systems. These can be two or one component binder systems.
  • binder systems e.g. Furan resins, phenolic resins, acrylic resins, epoxies and inorganic binders such as e.g. Water glass as a binder.
  • Furan resins, phenolic resins, acrylic resins, epoxies and inorganic binders such as e.g. Water glass as a binder.
  • other binders in solid form can also be mixed into the powder and activated by means of a liquid. This includes e.g. hydraulically setting binders such as cements that are printed with aqueous solutions. But also other substances such as starch, sugar and the like can cause a bond in the particle material. Other bonds are made possible by the at least superficial loosening of the particle materials. For this purpose e.g. certain alcohols or other solvents.
  • the plant is made with molding sand and typical foundries Binders operated as furan resin and water glass.
  • the system is filled with the particulate material.
  • the binder supply is filled with the appropriate binder and the cleaning systems are filled with the appropriate cleaner.
  • the process unit first moves into the coater cleaning position. Both coaters are cleaned automatically there. Then the process unit moves to the printhead cleaning position. A cleaning cycle for the print head is carried out there. This can include several so-called purges or rinsing processes, wiping processes with cleaning fluid and so-called spitting processes. Purge is understood to mean the process in which the print head binder reservoir is subjected to excess pressure in such a way that binder exits to the nozzles. Spitting is understood to mean the entire control of all nozzles of the print head for a specific number of drop generation.
  • An empty job box is then fed to the system. This is drawn into the system.
  • the Z-axis automatically couples the construction platform with the coupling provided and pushes the construction platform into the top position. Then the process unit moves to a filling position. There the storage container fills the respective filling funnel.
  • the process unit over the construction field, releasing particulate material, until it comes to a standstill again in the opposite filling position.
  • the other filling hopper is filled through the corresponding storage container and the coating process is repeated.
  • the so-called start layer is created by driving over the construction area several times without printing.
  • This can consist of several layers and solves various aspects.
  • a building level independent of the position of the building platform is generated.
  • the system and the construction field are brought to process temperature brought.
  • the actual printing process can begin.
  • the data to be printed are necessary in the form of individual bitmaps for the layers to be printed.
  • the 3D data of the components is broken down into individual layers and this data is converted into bitmaps before the print job is started on a preparation computer.
  • the process unit now moves from one filling position to the other and thereby deposits completely processed layers. This means that the construction platform is lowered by one layer each, then the process unit prints the previous layer with binder, then applies a new layer of particulate material and treats the layer e.g. with IR radiation.
  • the application units such as the coater and print head are cleaned at regular intervals.
  • the construction platform can be lowered in the job box and the job box can then be transported out of the system.
  • the completed print job is subjected to further post-processing such as thermal hardening outside the system.
  • the disclosure relates to an arrangement for building up molded parts in layers from a particulate material, comprising at least one process unit that can be fed to the arrangement and installed, which has a printing unit and a coater system and an adjustment device for offline preparation of the process unit.
  • the disclosure relates to an arrangement for building up molded parts in layers from a particulate material, comprising at least one process unit that can be fed to the arrangement and installed, which has a printing unit and a coater system and a digital, line camera or an IR camera that can be moved with the process unit Measurement of the construction field temperature and / or the print image.
  • An arrangement according to the disclosure can preferably be characterized in that it has a receptacle for a building container, which has a preferably automatic retraction for the building container.
  • An arrangement according to the disclosure can preferably be characterized in that the application system has a dynamic filling system.
  • An arrangement according to the disclosure can preferably be characterized in that the arrangement has an air conditioner, preferably with a control and / or process unit being connected to the air conditioner.
  • An arrangement according to the disclosure can preferably be characterized in that a line sensor is provided in an area between the coating unit and the printing unit.
  • An arrangement according to the disclosure can preferably be characterized in that the line sensor is connected to a further process and / or control unit.
  • An arrangement according to the disclosure can preferably be characterized in that the arrangement has one bi-directional coater or two coaters, one coater being provided for each coating direction.
  • An arrangement according to the disclosure can preferably be characterized in that a print head is arranged between two coaters or a print head is arranged or attached on both sides of a bi-directional coater.
  • An arrangement according to the disclosure can preferably be characterized in that a digital, line camera or an IR camera is arranged to the side of the coater and print head unit.
  • An arrangement according to the disclosure can preferably be characterized in that in each case a digital, line camera or an IR camera is attached in the forwards or backwards direction of travel.
  • FIG. 1 An example of an overall machine or overall plant according to the disclosure is e.g. described in Fig. 1.
  • Essential components of the 3D printing system on which the disclosure is based are:
  • the coaters (2.7, 7.7) can be filled, they are equipped with suitable filling funnels (7.11), suitable in the present case means that a funnel is arranged when filling via the storage container (7.11) due to the actual distance and the bulk material cone that forms that can absorb the excess particulate material that overflows from the reservoir.
  • the particulate material (7.8) is fed in via horizontally aligned chain conveyor systems. Since dust typically also arises during filling, the system was equipped with a preferably horizontal raw system directly at the filling point, which serves as an extraction system (7.10).
  • the pipes were provided with openings (7.9) such as bores or slots on the side at the appropriate point.
  • the suction flow can be trimmed accordingly using suitable locking systems (7.13).
  • FIG. 8 shows an exemplary job box draw-in (construction container draw-in) according to the disclosure.
  • a job box feeder had to be designed that would work with the System interlinking (roller conveyor segment, 8.9) can interact.
  • the pressure system was equipped with traction means (8.5) which pull the construction container into the machine via the drivers (8.7, 8.8).
  • the drivers on the traction device come to rest on the other side of the respective building container driver and can thus move the box in the other direction.
  • the system was equipped with support rollers (8.4). These support rollers are preferably free-running so that they can easily adapt to the speed of the traction means as well as to the speed of the roller conveyor (8.9).
  • FIG. 1 An exemplary IR camera in accordance with the disclosure is shown in FIG. 1. Since the thermal management makes an important contribution to component quality in the present process, the present system was equipped with an IR camera system (1.8), which enables continuous observation of the construction field temperature (1.9).
  • FIG. 4 an exemplary embodiment of an adjustment device according to the disclosure for offline preparation of the process unit is described.
  • a device with an integrated measuring device was developed, which allows the process unit with its quick-release fastener (4.3) to be set up, measured and, if necessary, readjusted in an installation situation that follows the machine (Fig. 1).
  • the device was equipped with suitable guide elements (4.4), preferably with a flatness of +/- 0.02mm over the entire travel range, preferably approx. Im x 1.5m, in order to move the measuring head (4.5) along the process unit in X and Y move.
  • the guide elements (4.4) have integrated position measuring systems that can be visualized on the control panel (4.7).
  • a measuring head is preferred
  • the device has a parking position which has a print head lock (4.6) which prevents the print head (2.6, 3.6) from drying out.
  • FIG 5 shows an exemplary transport box with permanent printhead humidification according to the disclosure.
  • the quick-release fasteners (5.3) are used for the clear positioning of the process unit (5.2) as in the 3D printer.
  • FIG. 6 illustrates an exemplary embodiment of a removal aid for damage-free removal / installation of the process unit according to the disclosure. Since the present 3D printing system is designed for a high level of process automation and consequently several of these systems will operate in conjunction with a fully automatic chain, it can be useful that the process units are transported to and from the systems with a universal hoist (6.5) and in or be lifted out of the systems. So that the highly sensitive process unit (6.2) is not damaged in the process, a device was developed that ensures guided removal (6.6) from the system and all-round protection after removal. In the present case, a purely mechanical solution (6.7) was chosen, but one would also be conceivable. fully automatic solution that can interact with the respective machine control.
  • the present 3D printing system was designed with a quick-change system for print head (2.6, 3.6), horizontal offset (3.8), coater (2.2, 3.2), IR emitter ( 2.4, 3.4) and other relevant components.
  • the relevant components were combined in a highly integrated and self-supporting process unit. Equipped with a quick-release system (3.10) for attaching the process unit to the travel axis (1.4) and quick-release fasteners for all media (electricity, air, binder, etc.), a compact unit was created that can be integrated into the 3D printing system in the shortest possible time, according to requirements can be installed or removed.
  • the process unit essentially consists of the front mounting plates (3.1) with the quick-release system (3.10) attached to them and the combination of: full-width and inherently rigid print head (2.6 and 3.6) with horizontal offset (3.8), coater unit (2.2, 3.2) and IR radiator (2.4, 3.4) with water cooling (2.5, 3.5).
  • the inherently rigid print head construction also enables the print head (2.6, 3.6) to be changed quickly.
  • the system is supplemented by the line camera (2.7, 3.7) for in-situ print image capture and the coater seal (2.3, 3.3), in the present case as a vacuum seal (2.3, 3.3) designed for the To be able to guarantee the greatest possible service life with a large number of cycles with minimal wear.
  • FIGS. 2 and 3 An exemplary line camera inspection means according to the disclosure is shown in FIGS. 2 and 3.
  • a major disadvantage of the systems available on the market is that the print result only becomes visible at the end of the complete print, i.e. when the construction container is unpacked. Since this can sometimes take several hours, a lot of valuable time goes by.
  • Known systems already use common camera systems to inspect the print image after completion of the respective layer (e.g. VUT, REVIEW OF AN ACTIVE RE-COATER MONITORING SYSTEM FOR POWDER BED FUSION SYSTEMS).

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Abstract

Eine Anordnung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen aus einem Partikelmaterial, umfassend zumindest eine der Anordnung, vorzugsweise automatisch, zuführbare und einbaubare Prozesseinheit (1.5, 5.2, 6.2), die eine Druckeinheit (2.6, 3.6, 7.6) und ein Beschichtersystem (2.2, 3.2, 7.2) mit einem dynamischen Befüllsystem aufweist; oder/und eine Aufnahmevorrichtung für einen Baubehälter; einen vorzugsweise automatischen Einzug für den Baubehälter (1.3); und eine Justiervorrichtung zur offline Vorbereitung der Prozesseinheit.

Description

Anordnung einer 3D-Druckvorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von 3D-Formteilen mit mindesten einer Prozesseinheit, die insbesondere auch geeignet ist für eine Großserienproduktion von 3D-Formteilen wie Gießereikernen und -formen und anderen Artikeln, die in großen Stückzahlen benötigt werden.
In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 Bl wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht mittels Beschichter (Recoater) auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verbindet und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt oder die Beschichter- /Druckkopfeinheit angehoben und eine neue Schicht Partikelmaterial aufgetragen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, selektiv bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis die gewünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt (Formteil).
Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben
1
iBestätigungskopiej danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver, z.B. durch Abbürsten, weiter gesäubert werden.
In ähnlicher Weise arbeiten auch andere Pulver-gestützte Rapid-Prototyping- Prozesse, wie z.B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern bei denen jeweils ebenso ein loses Partikelmaterial schichtweise ausgebracht und mit Hilfe einer gesteuerten physikalischen Strahlungsquelle selektiv verfestigt wird.
Im Folgenden werden alle diese Verfahren unter dem Begriff dreidimensionale Druckverfahren oder 3D-Druckverfahren zusammengefasst.
Diese Verfahren nutzen zum Teil unterschiedliche Möglichkeiten des Schichtauftrags. Bei einigen Verfahren wird das für die gesamte Schicht benötigte Partikelmaterial einer dünnen Klinge vorgelegt. Diese wird anschließend über den Baubereich bewegt und streicht das vorgelegte Material aus und glättet es dabei. Eine weitere Art des Schichtauftrags ist das kontinuierliche Vorlegen eines geringen Volumens von Partikelmaterial während der Verfahrbewegung der Klinge. Dazu ist die Klinge üblicherweise an der Unterseite eines beweglichen Silos befestigt. Direkt über oder neben der Klinge ist ein einstellbarer Spalt vorgesehen, durch welchen das Partikelmaterial aus dem Silo ausfließen kann. Die Anregung des Ausflusses geschieht dabei durch das Einbringen von Schwingungen in das Silo-Klingen- System.
Anschließend oder während des Schichtauftrages folgt die selektive Verfestigung mittels Flüssigkeitsauftrags und oder Strahlungseinwirkung. Vielfach ist es für die Qualität des Druckes notwendig, dass der Abstand der sich bewegenden Druckvorrichtung zur aktuellen Schichtebene möglichst konstant ist. Die Bauteile liegen üblicherweise nach dem Drucken in einem Baubehälter vor. Dieser Baubehälter stellt meist ein quaderförmiges Volumen dar. Dieses Volumen wird mit den verschiedensten Geometrien beladen, um die Maschine gut auszulasten.
Drucker des Stands der Technik weisen zum Teil Baubehälter auf, die aus der Anlage entnehmbar sind und auch als Jobbox oder Baubehälter bezeichnet werden. Diese dienen als Begrenzung für das Pulver und stabilisieren so den Bauprozess. Durch das Wechseln des Baubehälters können Prozessschritte parallelisiert werden und die Anlage kann somit gut ausgelastet werden. Ebenso gibt es Anlagen, bei der auf eine Plattform gedruckt wird, die wie der Baubehälter aus der Anlage entnommen werden kann. Auch sind Verfahren bekannt, bei denen auf ein durchgehendes Förderband in einem bestimmten Winkel gedruckt wird. Die genannten Maschinenmerkmale konnten die Bauprozesse wirtschaftlicher machen und die Standzeiten reduzieren helfen. Allerdings weisen bekannte 3D-Drucker immer noch den Nachteil auf, dass erhebliche Standzeiten der Maschinen einem suboptimalen Auslastungsgrad bedeuten.
Das 3D-Drucken auf Basis pulverförmiger Werkstoffe und Eintrag flüssiger Binder ist unter den Schichtbautechniken das schnellste Verfahren. Mit diesem Verfahren lassen sich verschiedene Partikelmaterialien, dazu zählen - nicht erschöpfend - natürliche biologische Rohstoffe, polymere Kunststoffe, Metalle, Keramiken und Sande, verarbeiten.
Die Baufeldebene wird hingegen von der mit dem Pulver in Berührung stehenden Beschichterklinge und deren Verfahrachse bestimmt.
Wird nun eine oder mehrere der Komponenten Beschichterklinge, Druckkopf oder Strahlungsquelle getauscht, müssen die Ersatzteile und deren Aufnahmen entweder so genau gefertigt sein, dass die geforderte Parallelität wiedergegeben ist, oder es müssen Einrichtungen an einem der beiden Elemente vorhanden sein, die eine Justage zueinander ermöglichen.
Üblicherweise reicht die Fertigungsgenauigkeit der Maschinenteile bzw. Ersatzteile nicht aus, um den genannten Genauigkeits-Anforderungen gerecht zu werden. Aus diesem Grund erfordert der Tausch einer der Komponenten das Abschalten der Anlage für die Dauer des Wechsels und der Neujustage. Dies kann je nach Anlagentyp mehrere Stunden Anlagenstillstand erfordern. Zudem muss die Arbeit von einem versierten Techniker vor Ort an der Anlage durchgeführt werden.
Die genannten Standzeiten der 3D-Druckanlagen implizieren erhebliche wirtschaftliche Nachteile und insbesondere bei 3D-Druckanlagen oder Anlagenstraßen, die drauf ausgelegt sind, einen hohen Fertigungsdurchsatz zu erzielen, sind die oben genannten Standzeiten problematisch oder sogar unvereinbar mit den erforderlichen Produktionszielen.
Auch können vielfach 3D-Druckmaschinen nicht in eine Serienproduktion eingebunden werden, da sie zu lange Standzeiten für Wartungsarbeiten benötigen und damit die anderen Produktionsschritte mitverlangsamen.
Es ist daher eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der eine maximale Ausbringung an gedruckten Teilen mit einem hohen Automatisierungsgrad erzielt wird bei gleichzeitiger Minimierung von Standzeiten.
Es ist eine weitere der Anmeldung zugrundeliegende Aufgabe eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die neben einem hohen Automatisierungsgrad und vorzugsweise eine in-line Qualitätskontrolle ermöglicht. Kurze Zusammenfassung der Offenbarung
Die Offenbarung betrifft eine Anordnung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen aus einem Partikelmaterial, umfassend
zumindest eine der Anordnung, vorzugsweise automatisch, zuführbare und einbaubareProzesseinheit, die eine Druckeinheit und einen Beschichter mit einem dynamischen Befüllsystem aufweist; oder/und einen automatischen Einzug für einen Baubehälter; und eine Justiervorrichtung zur offline Vorbereitung der Prozesseinheit.
Die Offenbarung betrifft in einem Aspekt eine Anordnung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen aus einem Partikelmaterial, umfassend zumindest eine der Anordnung, zuführbare und einbaubare Prozesseinheit, die eine Druckeinheit und ein Beschichtersystem aufweist und eine Justiervorrichtung zur offline Vorbereitung der Prozesseinheit.
Die Offenbarung betrifft in einem Aspekt eine Anordnung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen aus einem Partikelmaterial, umfassend zumindest eine der Anordnung, zuführbare und einbaubare Prozesseinheit, die eine Druckeinheit und ein Beschichtersystem und eine mit der Prozesseinheit verfahrbare Digital-, Zeilenkamera oder eine IR-Kamera zur Messung der Baufeldtemperatur oder/und des Druckbildes.
Vorzugsweise weist die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung einen Wärmesensor, beispielsweise eine IR Kamera, zur Messung einer Baufeldtemperatur, und ggf. ein Klimagerät auf. Dieser Wärmesensor kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise über eine Steuer- und Prozesseinheit mit dem Klimagerät verbunden sein.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist im Bereich zwischen der Beschichtereinheit und der Druckeinheit ein Zeilensensor vorgesehen. Vorzugsweise ist dieser Zeilensensor mir einer weiteren Prozess- und Steuereinheit verbunden, um abhängig von der Messung durch den Zeilensensor direkt eine Korrektur der Prozessfaktoren vorzugsweise im closed-loop zu ermöglichen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt eine schematische Frontansicht einer Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 zeigt einen Querschnitt einer Prozesseinheit nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 zeigt die Prozesseinheit nach Figur 2 in einer Draufsicht;
Figur 4 zeigt eine Justiervorrichtung nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einer Frontansicht;
Figur 5 zeigt eine Transportbox nach einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung in einer Frontansicht;
Figur 6 zeigt eine Darstellung einer Entnahmehilfe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 7 zeigt einen Beschichter und Vorlagebehälter nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Figur 8 zeigt den Baubehältereinzug (Job-Box-Einzug) nach einer bevorzugten Ausführungsform in einer Draufsicht (a) und Frontalansicht (b). Ausführliche Beschreibung der Offenbarung
Im Folgenden werden einige Begriffe näher definiert. Andernfalls sind für die verwendeten Begriffe die dem Fachmann bekannten Bedeutungen zu verstehen.
Im Sinne der Offenbarung sind „Schichtbauverfahren" bzw. „3D- Druckverfahren" alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die den Aufbau von Bauteilen in dreidimensionalen Formen ermöglichen und mit den hier im Weiteren beschriebenen Verfahrenskomponenten und Vorrichtungen kompatibel sind.
Unter „Binder-Jetting" im Sinne der Offenbarung ist zu verstehen, dass schichtweise Pulver auf eine Bauplattform aufgebracht wird, jeweils die Querschnitte des Bauteils auf dieser Pulverschicht mit einer oder mehreren Flüssigkeiten bedruckt werden, die Lage der Bauplattform um eine Schichtstärke zur letzten Position geändert wird und diese Schritte solange wiederholt werden, bis das Bauteil fertig ist. Unter Binder-Jetting sind hier auch Schichtbauverfahren zu verstehen, die eine weitere Verfahrens- Komponente wie z.B. eine schichtweise Belichtung z.B. mit IR- oder UV- Strahlung benötigen und Verfahren, die auch als High Speed Sintering bezeichnet werden.
„Formkörper" oder„Bauteil" oder„3D-Formteil" oder„3D-Bauteil" im Sinne der Offenbarung sind alle mittels 3D-Druckverfahren hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.
„3D-Drucker" oder„Drucker" im Sinne der Offenbarung bezeichnet das Gerät in dem ein 3D-Druckverfahren stattfinden kann. Ein 3D-Drucker im Sinne der Offenbarung weist ein Auftragsmittel für Baumaterial, z.B. ein Fluid wie ein Partikelmaterial, und eine Verfestigungseinheit, z.B. einen Druckkopf oder ein Energieeintragsmittel wie einen Laser oder eine Wärmelampe, auf. Weitere dem Fachmann bekannte Maschinenkomponenten und im 3D-Druck bekannte Komponenten werden je nach den speziellen Anforderungen im Einzelfall mit den oben erwähnten Maschinenkomponenten kombiniert.
„Baufeld" ist die Ebene oder in erweitertem Sinn der geometrische Ort, auf dem oder in dem eine Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst. Häufig wird das Baufeld durch einen Boden, die„Bauplattform", durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt.
„Prozesseinheit" oder „Funktionseinheit" bezeichnet im Sinne der Offenbarung ein Mittel oder ein Bauteil mit dessen Einsatz das Ergebnis der Vorgänge Beschichten und selektives Verfestigen verwirklichen werden kann; dazu können gehören Beschichter (Recoater), Druckkopf, Düsen, Lasereinheit, Wärmequelle, UV-Lichtquelle oder/und weitere Schichtbehandlungsmittel.
Der Prozess „Drucken" oder „3D-Drucken" im Sinne der Offenbarung bezeichnet die Zusammenfassung der Vorgänge Materialauftrag, selektives Verfestigen oder auch Bedrucken und Arbeitshöhe verstellen und findet in einem offenen oder geschlossenen Prozessraum statt.
Unter einer„Aufnahmeebene" im Sinne der Offenbarung ist die Ebene zu verstehen, auf die Baumaterial aufgetragen wird. Offenbarungsgemäß ist die Aufnahmeebene immer in einer Raumrichtung durch eine lineare Bewegung frei zugänglich.
„Verfahrachse" im Sinne der Offenbarung ist eine Achse, die eine Prozesseinheit trägt oder die entlang dieser erstellt werden können, über den Baufeldwerkzeugen angeordnet ist und einen gegenüber den anderen Achsen im System weiten Verfahrweg aufweist.„Verfahrachse" kann aber auch die Richtung angeben, in der z.B. ein Baufeldwerkzeug getaktet und in Koordination mit anderen Vorrichtungsteilen bewegt werden kann. Auch ein Druckkopf kann auf einer„Verfahrachse" bewegt werden.
„Baufeldwerkzeug" oder„Funktionale Einheit" im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel oder Vorrichtungsteile, die für den Fluidauftrag, z.B. Partikelmaterial, und die selektive Verfestigung bei der Herstellung von Formteilen eingesetzt werden. So sind alle Materialauftragsmittel und Schichtbehandlungsmittel auch Baufeldwerkzeuge oder funktionale Einheiten.
„Ausstreichen" im Sinne der Offenbarung bedeutet jegliche Art und Weise, mit der das Partikelmaterial verteilt wird. Beispielsweise kann an der Startposition einer Beschichtungsfahrt eine größere Pulvermenge vorgelegt werden und durch eine Klinge oder eine rotierende Walze in das Schichtvolumen verteilt oder ausgestrichen werden.
Als „Baumaterial" oder „Partikelmaterial" oder „Pulver" im Sinne der Offenbarung können alle für den 3D-Druck bekannten fließfähigen Materialien verwendet werden, insbesondere in Pulverform, als Schlicker oder als Flüssigkeit. Dies können beispielsweise Sande, Keramikpulver, Glaspulver, und andere Pulver aus anorganischen oder organischen Materialien wie Metallpulver, Kunststoffe, Holzpartikel, Faserwerkstoffe, Cellulosen oder/und Laktosepulver sowie andere Arten von organischen, pulverförmigen Materialien sein. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken, frei fließendes Pulver, aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver kann verwendet werden. Diese Kohäsivität kann sich auch durch Beimengung eines Bindermaterials oder eines Hilfsmaterials wie z.B. einer Flüssigkeit ergeben. Die Beimengung einer Flüssigkeit kann dazu führen, dass das Partikelmaterial in Form eines Schlickers frei fließfähig ist. Als Baumaterialien im Sinne der Offenbarung kommen auch Kunstharze wie z.B. Epoxide oder Acrylate in Betracht. Generell können Partikelmaterial im Sinne der Offenbarung auch als Fluide bezeichnet werden. Die „Überschussmenge" oder „Overfeed" ist dabei die Menge an Partikelmaterial, die bei der Beschichtungsfahrt am Ende des Baufeldes vor dem Beschichter hergeschoben wird.
„Beschichter" oder„Recoater" oder„Materialauftragsmittel" im Sinne der Offenbarung ist die Einheit, mittels derer ein Fluid auf das Baufeld aufgebracht wird. Dieser kann aus einem Fluidvorratsbehälter und einer Fluidauftragseinheit bestehen, wobei gemäß der vorliegenden Erfindung die Fluidauftragseinheit einen Fluidauslass und eine„Rakeleinrichtung" umfasst. Diese Rakeleinrichtung könnte eine Beschichterklinge sein. Es könnte aber auch jede andere erdenkliche geeignete Rakeleinrichtung verwendet werden. Denkbar sind beispielsweise auch rotierende Walzen oder eine Düse. Die Materialzufuhr kann über Vorratsbehälter frei fließend oder Extruderschnecken, Druckbeaufschlagung oder andere
Materialfördereinrichtungen erfolgen. Es kann ein Beschichter mit einer Materialaustrittsöffnung oder zwei Materialaustrittsöffnungen in entgegengesetzten Richtungen Anwendung finden. An den Materialaustrittsöffnungen können Klingen angebracht sein zum Aufträgen des Materials. Diese können durch eine Schwingungserzeugung gesteuert sein und so kann mittels Brückenbildung oder Schüttkegelbildung im Pulvermatierial der Auslass gesteuert werden oder durch Einblasen von Gas, z.B. Umluft, die Brückenbildung oder Schüttkegelbildung aufgebrochen werden und eine Steuerung erfolgen. Der Beschichter kann mit seitlich daran angeordneten Druckköpfen kombiniert sein und so eine Beschichtung bidirektional erfolgen und auch der Bindereintrag kann dann in beide Richtungen bei der Überfahrt erfolgen. Diese Anordnung kann auch mit kombiniert werden, wobei vorzugsweise an beiden Seiten eine Digital-, Zeilenkamera oder eine IR Kamera, zur Messung der Baufeldtemperatur oder/und des Druckbildes angebracht ist. Der Beschichter kann Teil einer Prozesseinheit sein. Der „Druckkopf' oder Mittel zum selektiven Verfestigen im Sinne der Offenbarung setzt sich üblicherweise aus verschiedenen Komponenten zusammen. Unter anderem können dies Druckmodule sein. Die Druckmodule verfügen über eine Vielzahl an Düsen, aus denen der „Binder" in Tröpfchenform auf das Baufeld gesteuert ausgestoßen wird. Die Druckmodule sind relativ zum Druckkopf ausgerichtet. Der Druckkopf ist relativ zur Maschine ausgerichtet. Damit kann die Lage einer Düse dem Maschinenkoordinatensystem zugeordnet werden. Die Ebene in der sich die Düsen befinden wird üblicherweise als Düsenplatte bezeichnet. Ein weiteres Mittel zum selektiven Verfestigen kann auch ein oder mehrere Laser oder andere Strahlungsquellen oder eine Wärmelampe darstellen. Dabei kommen auch Arrays solcher Strahlungsquellen, wie z.B. Laserdiodenarrays in Betracht. Es ist im Sinne der Offenbarung zulässig, dass die Einbringung der Selektivität von der Verfestigungsreaktion getrennt erfolgt. So kann über einen Druckkopf oder eine oder mehrere Laser eine selektive Behandlung der Schicht erfolgen und durch andere Schichtbehandlungsmittel, die Verfestigung gestartet werden. Als Beispiel hierfür wäre das Bedrucken der Schicht mit UV reaktiven Harzen zu nennen, die anschließend über eine UV- Lichtquelle verfestigt werden. In einer anderen Ausführungsform wird das Partikelmaterial mit einem IR-Absorber bedruckt und anschließend mit einer Infrarotquelle verfestigt. Der Druckkopf kann Teil einer Prozesseinheit sein.
„Schichtbehandlungsmittel" im Sinne der Offenbarung sind alle Mittel, die geeignet sind, um einen bestimmten Effekt in der Schicht zu erzielen. Dies können die vorgenannten Einheiten wie Druckkopf oder Laser aber auch Wärmequellen in Form von IR-Strahlern oder andere Strahlungsquellen wie z.B. UV-Strahler sein. Denkbar sind auch Mittel zur De- oder Ionisierung der Schicht. Allen Schichtbehandlungsmitteln gemein ist, dass ihre Wirkungszone auf die Schicht linienförmig verteilt ist und dass sie wie die anderen Schichteinheiten wie Druckkopf oder Beschichter über das Baufeld geführt werden müssen, um die gesamte Schicht zu erreichen. „Aktorik" im Sinne der Offenbarung sind alle technischen Mittel, die geeignet sind innerhalb einer wechselbaren Funktionseinheit die Bewegung von Schichtbehandlungsmitteln relativ zueinander auszulösen, oder innerhalb der Schichtbehandlungsmittel Bewegungen von Einzelteilen oder Baugruppen durchzuführen.
„Einfuhröffnung" im Sinne der Offenbarung ist der Bereich an einer 3D- Druckmaschine, an der die wechselbare Funktionseinheit in die 3D- Druckmaschine zum Wechseln ein- und ausgeschoben wird; diese Einfuhröffnung kann offen sein oder mit geeigneten Mitteln verschließbar sein wie einem Verschluss oder einer verschließbaren Klappe. Das Öffnen und Verschließen kann mit einer gesonderten Steuerung erfolgen oder durch das Ein- und Ausfahren der wechselbaren Funktionseinheit wird der Verschluss automatisch geöffnet und wieder verschlossen. Es kann auch eine Art Barriere an der Einfuhröffnung vorhanden sein, wie eine geschlitzte Folie oder Borsten, durch die die wechselbare Funktionseinheit hindurchgeschoben werden kann.
Ein „geeignetes AufnahmemitteP im Sinne der Offenbarung ist ein an der Zielposition angeordnetes Mittel, das die Positionierung und die richtige Funktion der wechselbaren Funktionseinheit an der Zielposition unterstützt. Somit wird durch ein geeignetes Aufnahmemittel die Lagetoleranz einer wechselbaren Funktionseinheit innerhalb der 3D-Druckmaschine definiert, und damit auch die Lagetoleranz der Schichtbehandlungsmittel zum Baufeld.
„Verbindungsmittel" im Sinne der Offenbarung können Schienen, Rahmen oder andere Teile sein, mit denen die funktionellen Einheiten der wechselbaren Funktionseinheit miteinander verbunden und in ihren drei Dimensionen angeordnet werden und die optional auch dazu dienen können das Ein- und Ausfahren der wechselbaren Funktionseinheit in bzw. aus der 3D-Druckmaschiene zu unterstützen. Die funktionellen Einheiten können in einer besonderen Ausführungsform auch direkt miteinander verbunden sein und zusätzlich können Mittel an dieser wechselbaren Funktionseinheit angebracht sein, die für das Ein- und Ausfahren bestimmt sind. Vorzugsweise sind die Verbindungsmittel so gestaltet, dass die einzelnen funktionellen Einheiten leicht zugänglich sind, um sie in Ihrer Lage zu justieren oder auszutauschen.
„Verschlussmittel" im Sinne der Offenbarung ist jedes Mittel, das zum Verschließen der Einfuhröffnung für die wechselbare Funktionseinheit dient, z.B. eine Klappe, Türe, ein Schieber, eine Bürstenreihe, etc.
„Versorgung" im Sinne der Offenbarung ist die Zufuhr von Energie, Baumaterial oder anderen Medien wie z.B. Druckluft oder Kühlwasser zu den einzelnen funktionalen Einheiten. Die Versorgung ist vorzugsweise durch geeignete Maßnahmen schnell kuppelbar ausgeführt. Die Kupplung erfolgt vorzugsweise an einer gemeinsamen Kuppelposition in Form einer Kupplungsleiste oder eines Kupplungsblockes. Die Versorgung lässt sich vorzugsweise ohne zusätzliche manuelle Interaktion z.B. nur durch das Ein- und Ausfahren kuppeln.
„Voreingestellt" im Sinne der Offenbarung bezeichnet, dass die in der wechselbaren Funktionseinheit enthaltenen funktionellen Einheiten in Lage und Position so aufeinander abgestimmt sind, dass ein einfaches Einfahren an die Zielposition, Nutzung der Sicherungsmittel und Herstellung der Medien-Versorgung ausreicht, damit die 3D-Druckmaschiene sofort nach dem Einfahren wieder in Betrieb genommen werden kann, ohne dass im Wesentlichen eine Justierung oder Nachjustierung oder irgendwelche Einstellung in Bezug auf die wechselbare Funktionseinheit erforderlich ist.
„Zielposition" im Sinne der Offenbarung ist die Stelle in der 3D- Druckmaschine bis zu der die wechselbare Funktionseinheit eingeschoben wird und an der diese vorzugsweise mit den Sicherungsmitteln festgestellt wird. „Entnahmeposition" im Sinne der Offenbarung ist die Stelle in der 3D- Druckmaschine an der die Funktionseinheit stehen muss, um sie aus dem Gerät auszufahren. Die Steuerung des 3D-Druckers verfügt entsprechend über einen Befehl, bei dem die Entnahmeposition von der wechselbaren Funktionseinheit mit hinreichender Genauigkeit angefahren wird. Vorteilhafterweise befindet sich diese Position über dem Baufeld. Noch vorteilhafterweise liegt die Entnahmeposition in etwa mittig über dem Baufeld. Weniger geeignet sind die beiden möglichen Endlagen der wechselbaren Funktionseinheit, da sich dort zumeist die Wartungseinheiten für die Baufeldwerkzeuge befinden und diese beim Ein- bzw. Ausfahren beschädigt werden könnten. Beim Wechseln der Funktionseinheit sollten die Baufeldwerkzeuge vorteilhafterweise nicht im Eingriff mit einer aktuellen Schicht stehen. Dies kann z.B. dadurch sichergestellt werden, in dem die Bauplattform vorher um einen entsprechenden Betrag abgesenkt wird. Auch dieser Vorgang kann in der Steuerung hinterlegt werden, so dass das Absenken der Bauplattform und das Anfahren der Entnahmeposition als kombinierte Abfolge zur Vorbereitung des Wechsels der Funktionseinheit erfolgt.
Unter„Prozesseinheit" im Sinne der Offenbarung wird die Kombination aus mehreren Schichtauftragsmitteln, Schichtbehandlungsmitteln und Druckkopf verstanden. Vorzugsweise besteht die Prozesseinheit aus einem zentralen Baufeldbreiten Druckkopf mit einer Druckkopfverfahrachse, daran anschließend zu beiden Seiten befinden sich zwei Beschichter oder auch Schichtauftragsmittel, mit den zugehörigen Befülltrichtern zur Zuführung des Partikelmaterials. Daran anschließend sind weitere Schichtbehandlungsmittel z.B. in Form von IR-Strahlern montiert. Zusätzlich können sich auf der Prozesseinheit noch weitere Inspektionsmittel wie z.B. Zeilenkameras befinden. Die Prozesseinheit verfügt über eine selbsttragende Struktur und kann über eine entsprechende Kupplungsvorrichtung von der Anlage getrennt werden. Unter„Kupplungspunkt" im Sinne der Offenbarung versteht man die Position der Prozesseinheit in der Anlage, die am Besten geeignet ist, die Prozesseinheit aus der Anlage zu entnehmen. Dies kann z.B. eine mittige Position sein, bei der die Prozesseinheit seitlich oder nach oben entnommen werden kann.
„Auftragseinheit" oder„Schichtauftragseinheit" bezeichnet eine Kombination aus Beschichter und Befülltrichter.
„Nullpunktspanner" im Sinne der Offenbarung bezeichnen Spannmittel, die einer widerholbaren genauen Positionierung des jeweiligen Spanngutes dienen.
Für eine Qualitätssicherung ist es interessant, z.B. mit einer Zeilenkamera, jede prozessierte Schicht optisch aufzunehmen und evtl über eine spezielle Software auszuwerten. So kann z.B. bei entsprechendem Kontrast zwischen bedruckten und unbedrucktem Partikelmaterial, festgestellt werden, ob der Druckvorgang einwandfrei erfolgte. In der Regel genügt bei einem 3D- Drucker des Standes der Technik dafür eine Digitalkamera mit entsprechendem Objektiv, die z.B. in einer Ecke des Bauraumes aufgehängt ist und auf das Baufeld zielt. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung verdeckt die Prozesseinheit jedoch jede Schicht derart, dass kein freier Blick auf das bedruckte Partikelmaterial möglich ist. Vielmehr findet sich nach jeder Überfahrt der Prozesseinheit eine bedruckte und bereits mit einer neuen Lage Partikelmaterial bedeckte Schicht.
Um trotzdem zu einem auswertbaren Bild zu gelangen, kann eine sogenannte Zeilenkamera eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um eine Digitalkamera, deren Bildpunkte nur länglich und zwar über die gesamte Breite des Baufeldes verteilt angeordnet sind. Ein zweidimensionales Bild entsteht nur, wenn die Kamera über das aufzunehmende Bild verfahren wird und die aufgenommenen Punkte mit der jeweiligen Position der Zeilenkamera abgespeichert werden. Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass die Kamera nur sehr wenig Platz . benötigt und einfach in die Prozesseinheit nach dem Druckkopf integriert werden kann. Vorzugsweise verfügt die Prozesseinheit dann über zwei Zeilenkameras, die links und rechts des Druckkopfes montiert sind, um jede Schicht aufnehmen zu können. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können aber auch andere Kamerasysteme eingesetzt werden, die z.B. über eine entsprechende Optik verfügen, um ein Bild zwischen Druckkopf und Beschichter aufnehmen zu können. Auch in diesem Fall verfügt die Vorrichtung vorzugsweise über wenigstens zwei Kamerasysteme die jeweils ihre Bilder links und rechts des Druckkopfes aufnehmen bzw. über eine Kamera, die über entsprechende Optiken Bilder links und rechts des Druckkopfes aufnehmen. Bei Verwendung einer normalen Kamera, mit einem zweidimensionalen Bildfeld wird ein komplettes Schichtbild wie bei Verwendung einer Zeilenkamera über Zusammensetzung mehrerer Einzelbilder hergestellt, die bei Bewegung der Prozesseinheit über das Baufeld aufgenommen werden.
Unter „Versatzachse" im Sinne der Offenbarung wird die Einrichtung zur Verschiebung des Druckkopfes quer zur Druckrichtung bezeichnet. Um eine Überlagerung schwacher oder fehlerhaft funktionierender Düsen am Druckkopf zu vermeiden, ist es vorteilhaft den Druckkopf vor jeder Druckfahrt um einen bestimmten, am Besten nicht gleichen Betrag zu verschieben. Diese erfolgt mit der Versatzachse. Damit das Druckbild eine hohe Qualität aufweist, muss die Versatzachse hinreichend genau und gut auflösend sein. Üblicherweise sollte die Auflösung der Verfahrbewegung mindestens der halben Druckauflösung entsprechen. Die Positioniergenauigkeit der Versatzachse sollte sogar noch höher sein. Für diese Aufgabe eignen sich Kombinationen aus Linearführungen und einem Kugelgewindetrieb mit Servomotor. Alle Auftragseinheiten einschließlich des Druckkopfes bedürfen einer regelmäßigen Reinigung. Diese Reinigung kann passiv, z.B. über stehende Bürsten erfolgen. Die Reinigungsvorrichtungen können den Reinigungsvorgang jedoch auch aktiv mit eigenen Bewegungsmitteln durchführen.
Die Offenbarung betrifft in einem Aspekt eine Anordnung zum schichtweisen
Aufbau von Formteilen aus einem Partikelmaterial, umfassend
zumindest eine der Anordnung, vorzugsweise automatisch, zuführbare und einbaubare Prozesseinheit, die eine Druckeinheit und einen Beschichter mit einem dynamischen Befüllsystem aufweist;
einen automatischen Einzug für einen Baubehälter; und
eine Justiervorrichtung zur offline Vorbereitung der Prozesseinheit.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine Anordnung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen aus einem Partikelmaterial, umfassend zumindest eine der Anordnung zuführbare und einbaubare Prozesseinheit, die eine Druckeinheit und ein Beschichtersystem und eine mit der Prozesseinheit verfahrbare Digital-, Zeilenkamera oder eine IR-Kamera zur Messung der Baufeldtemperatur oder/und des Druckbildes.
Die Justiervorrichtung zur offline Vorbereitung der Prozesseinheit ist insbesondere auch vorgesehen, um die Stillstandzeiten der Anordnung im Produktionsbetrieb zu minimieren. Es wird daher vorgeschlagen, die Justage der Prozesseinheit offline in einer eigens dafür entwickelten Vorrichtung zu machen. Diese Vorrichtung kann beispielsweise mit integrierter Messeinrichtung vorgesehen sein, die es erlaubt, die Prozesseinheit in einer der Maschine nach gestellten Einbausituation aufbauen, vermessen und ggf. nachjustieren zu können. Dazu kann die Justiervorrichtung beispielsweise mit geeigneten Führungselementen ausgerüstet sein, vorzugsweise eine Ebenheit von +/-0.02mm über den gesamten Verfahrbereich, vorzugsweise ca. Im x 1.5m, um den Messkopf in X und Y an der Prozesseinheit entlang zu bewegen. Idealerweise handelt es sich bei dem Messkopf um ein elektronisches Gerät sodass die Messdaten automatisch in ein Protokoll eingetragen werden können.
Vorzugsweise weist die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung einen Wärmesensor, beispielsweise eine IR Kamera, zur Messung einer Baufeldtemperatur, und ggf. ein Klimagerät oder eine Wärmequelle z.B. in Form eines IR-Strahlers auf. Dieser Wärmesensor kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise über eine Steuer- und Prozesseinheit mit dem Klimagerät und oder mit der Wärmequelle verbunden sein.
Da im allgemeinen bei 3-D Druckverfahren das Wärmemanagement einen entscheidenden Beitrag zur Bauteilqualität beträgt, wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, die Anordnung nach der Erfindung mit einem IR Sensor, bspw. einem IR Kamerasystem auszustatten, das eine kontinuierliche Beobachtung der Baufeldtemperatur ermöglicht. Wenn dieser Sensor dann noch über eine Prozess- und Steuereinheit mit dem Klimagerät verbunden ist, könnte ein in-line closed-loop Wärmemanagement erfolgen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist im Bereich zwischen der Beschichtereinheit und der Druckeinheit ein Zeilensensor vorgesehen.
Vorzugsweise ist dieser Zeilensensor mir einer weiteren Prozess- und Steuereinheit verbunden, um abhängig von der Messung durch den Zeilensensor direkt eine Korrektur der Prozessfaktoren vorzugsweise im closed-loop zu ermöglichen. Ein großer Nachteil der am Markt verfügbaren Systeme ist, dass das Druckergebnis erst mit Ende des kompletten Druckes, heißt beim Auspacken der Jobbox sichtbar wird. Da dies teilweise mehrere Stunden dauern kann, vergeht viel kostbare Zeit. Neuere System benutzen bereits gängige Kamerasystem, um das Druckbild nach Fertigstellen der jeweiligen Schicht zu inspizieren.
Insbesondere bei einer bidirektionalen Arbeitsweise kann diese Technik nicht angewandt werden. Es wird daher vorgeschlagen, einen Sensor zwischen Druckkopf und Beschichter zu montieren, damit auch bei der bidirektionalen Arbeitsweise eine insitu Inspektion des Druckbildes möglich ist. Hierzu wurde jeweils eine Zeilenkamera zwischen Druckkopf rechtem und linkem Beschichter integriert und dann mit einer speziell angepassten Software ausgerüstet, die dann das reale Druckbild mit dem Sollbild vergleichen und so dem Bediener frühzeitig Störungen im Ablauf anzeigen kann. Der Bediener kann dann entscheiden ob er den Druck abbricht oder bis zum Ende durchlaufen lässt. Des Weiteren könnte der Anlagenbetreiber bei einem gleichzeitigen Druck von mehreren Bauteilen auch einzelne Bauteile, die evtl, auffällige Bilder zeigen, aussortieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nun unter anderem möglich, dass Standzeiten verringert werden, da beispielsweise durch die Verwendung einer Prozesseinheit für den Wechsel dieser zudem Hilfsmittel zur Verfügung gestellt werden, die einen schnellen Austausch und eine kurzfristige Wiederinbetriebnahme der Vorrichtung ermöglichen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es vorteilhafter Weise möglich, die Standzeiten von 3D-Druckmaschinen verursacht durch Wartungsarbeiten oder den nötigen Austausch von verschleißanfälligen Teilen oder funktionellen Komponenten zu reduzieren bzw. zu vermeiden. Somit kann die Maschinenlaufzeit erhöht werden und es wird möglich eine oder mehrere 3D- Druckmaschinen, in einen Verbund von anderen Herstellungsanlagen, z.B. in der Serienfertigung, z.B. im Fahrzeugbau, einzubinden.
Mit der Erfindung wird es somit erstmals möglich, 3D-Druckmaschinen in im Wesentlichen vollautomatisierte Produktionsabläufe einzubinden.
Früher mussten bestimmte mit 3D-Druck hergestellte Bauteile vorproduziert werden und diese Teile stellten unter Umständen einen zeitlimitierenden Faktor bei anderen Produktionsprozessen dar. Außerdem waren mit der Lagerung und Anlieferung Organisationsaufwand und Kosten verbunden.
Es wird mit der Erfindung möglich, 3D- Formteile direkt vor Ort und integriert in andere halb-automatisierte oder vollautomatisierte Herstellungsprozesse herzustellen. Damit wird eine Vereinfachung von komplexen Herstellungsprozessen möglich.
Die Erfindung trägt somit vorteilhafter Weise zu einer weiteren Automatisierung von 3D-Druckprozessen an sich sowie 3D-Druckverfahren nutzenden anderen Herstellungsverfahren und Serienproduktionen bei.
Eine derartige 3D-Druckmaschine weist die oben ausgeführten Vorteile auf und löst gleichermaßen die der Anmeldung zugrunde liegenden Aufgaben.
Weiterhin kann eine hier offenbarte 3D-Druckvorrichtung eine Einfuhröffnung mit einem Verschlussmittel aufweisen, wobei das Verschlussmittel geöffnet und verschlossen werden kann oder das Verschlussmittel durch die Prozesseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8 beim Ein- und Ausfahren geöffnet oder durchdrungen wird.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung ein Verfahren zum Einoder/und Ausfahren, d.h. zum Wechseln bzw. Auswechseln, einer wechselbaren Prozesseinheit wie oben beschrieben in eine oder aus einer 3D- Druckvorrichtung, wobei die Prozesseinheit gegebenenfalls mit einem Hebemittel, optional ein Kran, eine Hebebühne oder ein Hebewagen, an die 3D-Druckvorrichtung herangefahren wird, die Prozesseinheit in die Einfuhröffnung eingefahren wird, an der Zielposition in der 3D- Druckvorrichtung positioniert wird und mittels einem oder mehreren Sicherungsmitteln festgestellt wird.
Mit einem derartigen Verfahren wird es erstmals möglich, schnell und unkompliziert mehrere Prozesseinheiten einfach auszuwechseln ohne dass komplizierte Justierarbeiten an der Maschine selbst während dem Auswechseln nötig sind mit den damit verbundenen beschriebenen Nachteilen. Vorteilhafter Weise wird eine wechselbare Prozesseinheit verwendet, die mehrere funktionelle Einheiten umfasst und die vorjustiert sind, sodass aufwendige und zeitintensive Einstellarbeiten an der Maschine selbst entfallen.
Weitere Aspekte der Offenbarung sind im Folgenden dargestellt.
Bei bekannten 3D-Druckmaschinen sind Druckköpfe und Beschichterklingen wesentliche Verschleißteile. Hinzukommen je nach Prozess Belichtungseinheiten und/oder Bestrahlungseinheiten.
Diese Aggregate müssen für ein gutes Druckergebnis in einem bestimmten Rahmen zueinander ausgerichtet sein. Der Beschichter definiert die Lage der Schichtebene im Raum und der Druckkopf sollte in möglichst konstantem Abstand zur Schichtebene geführt werden.
Tauscht man eine einzelne Komponente aus, muss diese je nach Ausführung anschließend zu den jeweils anderen Komponenten justiert werden. Aufgrund der Größe der Maschinen reicht die Fertigungsgenauigkeit der Teile zueinander in Regel nicht aus, um ohne Justierung zum gewünschten Ergebnis zu kommen. Eine Justage in der Maschine kann außerdem aufwändig sein, da sie unter begrenzten Platzverhältnissen stattfindet und die Zugänglichkeit nicht gegeben ist. Zudem kann es sein, dass die Anlage zur Einrichtung in einem speziellen sicheren Einrichtbetrieb versetzt werden muss, damit ein Bediener an den Aggregaten hantieren kann. Nicht zuletzt befinden sich evtl.
Prozessmedien in der Maschine, vor denen der Einrichter geschützt werden muss.
Der Beschichter ist ein Aggregat zur Abgabe von fluiden Medien wie Partikelmaterialien, Harzen, Schlicker oder Pasten in definierter Form auf eine Unterlage, so dass eine ebene Schicht dieses Mediums in vorbestimmter Stärke entsteht. Es kann ein Beschichter zum Auftrag von Pulver- /Partikelmaterialien verwendet werden.
Der Beschichter könnte z.B. als Walze ausgebildet sein, die sich gegenläufig zur Beschichtungsrichtung dreht. Die Walze könnte um ein
Partikelmaterialreservoir erweitert sein. Das Reservoir könnte z.B. über eine Zellradschleuse gesteuert Partikelmaterial vor die Walze dosieren.
Eine weitere Ausführungsform betrifft einen Schwing-Beschichter mit einem schwingend aufgehängtem Pulverreservoir und einem baufeldbreiten Spalt im unteren Bereich an einer Seite des Pulverbehälters, die in Beschichtungsrichtung zeigt. Der Beschichter verfügt zudem über einen Antrieb, der das Reservoir in Schwingungen versetzt und dabei das Pulver aus dem Spalt rieseln lässt.
Als Druckkopf können in einem Aspekt Geräte nach Art einer Tintenstrahlvorrichtung verwendet werden, es ist aber auch denkbar selektive Belichtungseinheiten wie Laser, Projektoren oder Spiegel zu verwenden, über die selektive Bestrahlungseinheiten auf das Baufeld projiziert werden können. Alternativ können auch andere Geräte zur Informationsabgabe zum Einsatz kommen, wie z.B. Toner oder Farb- Transferwalzen, die z.B. aus Laserdruckern oder Offsetdrucken bekannt sind.
Daneben kann es sein, dass weitere Einheiten wie z.B. Belichtungseinheiten mitgeführt werden, die ähnlich wie der Beschichter auf die gesamte Breite der Einheit wirken. Diese Belichtungseinheiten können z.B. im UV Bereich aber auch im Wärmestrahlungsbereich Energie an das Baufeld abgeben. Es kann auch sein, dass Trocknungsaggregate mitgeführt werden, die z.B. über die Zu- und Abfuhr von Warmluft arbeiten.
Neben diesen Komponenten in der wechselbaren Prozesseinheit ist aber auch denkbar, dass die wechselbare Prozesseinheit aus Kombinationen aus mehreren Beschichtern, einem oder mehreren Druckköpfen und mehreren Bestrahlungseinheiten besteht.
In der Anlage selbst sind Verfahrachsen so montiert, dass sie die wechselbare Prozesseinheit einfach aufnehmen können und diese über das Baufeld bewegen. Vorzugsweise ist dafür nur noch ein Achsenpaar nötig, das sich parallel zur Beschichtungsrichtung jeweils seitlich des Baufeldes befindet.
In einer Ausführungsform wird die wechselbare Prozesseinheit von einer Umkehrposition zur jeweils anderen verfahren und stellt bei dieser Verfahrbewegung eine voll prozessierte Schicht her.
Die Maschine kann zudem über Wartungseinheiten verfügen, die Teile der wechselbaren Prozesseinheit betreffen und die ebenfalls von Zeit zu Zeit angefahren werden müssen. Dies kann z.B. eine Druckkopfreinigungsstation und oder eine Recoaterreinigungsstation sein. Derartige Wartungseinheiten könnten in alternativen Ausführungsformen auch an der wechselbaren Prozesseinheit montiert sein und mit dieser gewechselt werden. Die Anlage verfügt des Weiteren über Aggregate zur Versorgung der wechselbaren Prozesseinheit mit Medien, wie z.B. Partikelmaterialien, Tinten und Energie.
Die Anlage verfügt über ein rechteckiges Baufeld. Rechteckige Baufelder haben sich gemäß der vorliegenden Offenbarung und im Kontext der vorliegenden Offenbarung in dem hier angewendeten im Binder-Jetting 3D- Druckverfahren und der Vorrichtungsanordnung gemäß der Offenbarung als vorteilhaft gegenüber quadratisch, oder anders geformten Baufeldern herausgestellt. In dieser Weise kann vorteilhafter Weise die Ausbringung der Auftragsmittel optimiert werden.
In einem Aspekt verfügt das Baufeld über eine kurze Seite und eine lange Seite. Die Auftragsmittel werden über die kurze Seite über das Baufeld verfahren. Beispielsweise beträgt die kurze Seitenlänge zwischen 0,3 und 2,5 m, z.B. zwischen 0,5 und 1,5 m. Die lange Seite misst beispielsweise zwischen 1,2 und 4 x mal der kurzen Seite, noch vorteilhafterweise zwischen 1,2 und 2,5 mal der Abmessung der kurzen Seite.
Entlang der beiden kurzen Seiten finden sich Mittel, um die Auftragseinheiten über das Baufeld in vorbestimmtem Abstand und Geschwindigkeit zu führen. Dafür eignen sich besonders gut Linearachsen. Diese können über einen Riemenantrieb und Servomotoren die Auftragsmittel über das Baufeld führen. Es sind aber auch Linearachsen mit Spindelantrieb oder Linearmotor möglich. Der Antrieb der beiden Achsen kann über eine Verbindungswelle synchronisiert werden oder aber auch über eine sogenannte elektrische Koppelung von individuellen elektrischen Antrieben an beiden Achsen.
Die Antriebe müssen in der Lage sein, die Auftragsmittel über das Baufeld mit gleichförmiger Bewegungsgeschwindigkeit von 0,2 - 2 m/s zu bewegen. Die Linearachsen verfügen über Kupplungspunkte, auf denen die Auftragseinheiten in einer sogenannten Prozesseinheit integriert aufgesetzt werden. Die Kupplungspunkte sind so gestaltet, dass sie ein schnelles Wechseln der Prozesseinheit zulassen und die Prozesseinheit ohne weitere Justage Schritte wieder in die geeignete Position bringen.
Die Kupplungspunkte können über eine Kombination von sogenannten Nullpunktspannern gestaltet sein.
Die Prozesseinheit verfügt über Auftragseinheiten für das Partikelmaterial sowie ein oder mehrere Fluide. Zudem über weitere Schichtbehandlungsmittel wie Strahlungsquellen oder Begasungsmittel und Inspektionseinheiten wie Zeilenkameras.
Die Prozesseinheit ist vorzugsweise symmetrisch ausgeführt und verfügt zentral über einen oder mehrere Druckköpfe. Vorzugsweise 1 bis zwei Druckköpfe. Ein Druckkopf ist so ausgeführt, dass er die gesamte lange Seite des Baufeldes überspannt und in einem Überfahrschritt vollständig in geeigneter Weise mit einem Fluid bedrucken kann. Bei den Druckköpfen handelt es sich um sogenannte Drop-on-demand Druckwerke mit einer Vielzahl einzeln ansteuerbarer Düsen. Die Auflösung eines Druckkopfes beträgt üblicherweise 90 - 2000 dpi, vorteilhafterweise 150 bis 1200 dpi.
Der oder die Druckköpfe verfügen über eine oder mehrere Fluidleitungen. Zudem verfügen sie über elektrische Kontakte zur Übermittlung der Daten und der Ansteuerspannung sowie Leitungen zur Erzeugung eines Über- oder Unterdruckes an den Düsen. Alle Zu- und Ableitungen an dem oder den Druckköpfen sind vorzugsweise direkt am Druckkopf oder in dessen Nähe kuppelbar ausgestaltet. Der oder die Druckköpfe verfügen über einen Halter, der in geeigneter Weise die Lage des Druckkopfes zu dem Baufeld und die Höhe über dem Baufeld des oder der Druckköpfe einstellen und fixieren lässt.
Zudem sind der oder die Druckköpfe an einer sogenannten Versatzachse montiert, die eine Querbewegung des Druckkopfes in Richtung der langen Seite des Baufeldes zulässt. Die Achse ist so ausgestaltet, dass sie den Druckkopf mindestens um eine Düsenbreite besser noch um 50 bis 200 Düsenbreiten verschieben kann.
Die Verschiebung des Druckkopfes wird vor jeder Druckfahrt in geeigneter Weise aktiviert, um das Überlagern einzelner Düsen über den Schichtbau zu vermeiden. Damit können ausgefallene Düsen kompensiert werden.
Als Versatzachse eignen sich besonders Spindelantriebe mit Servomotor. Geeignet sind jedoch auch Linearmotoren.
Zu beiden Seiten des oder der Druckköpfe befinden sich Auftragsmittel bzw. Beschichter für das Aufträgen von Schichten aus dem Partikelmaterial.
Das Partikelmaterial wird dem Drucker vorzugsweise von Oben zugeführt. Das Partikelmaterial kann in einem Silo aufbewahrt oder in anderer Weise kontinuierlich zugeführt werden, wobei sich die Partikelmaterial Bevorratung im Wesentlichen außerhalb der Anlage befindet. Von dort wird das Partikelmaterial mit einer Fördertechnik zum Drucker transportiert. Für diese Aufgabe eignen sich insbesondere Förderschnecken oder Schrauben oder Über -oder Unterdruckbasierte Systeme. Das Material wird dann in einem Vorlagebehälter zwischengelagert. Der Vorlagebehälter dient auch dazu, das Material über die gesamte Beschichterbreite zu verteilen. Letztlich handelt es sich bei dem Vorlagebehälter um ein länglich ausgeprägtes Silo, dessen Länge im Wesentlichen der Beschichterbreite entspricht. Die Breite des Vorlagebehälters ist üblicherweise an die Breite des Beschichtertrichters angepasst. Zumindest im unteren Auslassbereich sollte die Breite des Vorlagebehälters kleiner als die des Beschichtertrichters sein. Die Höhe des Vorlagebehälters muss so ausgestaltet sein, dass ausreichend Partikelmaterial auch im Randbereich für mehr als eine Beschichtungsfahrt zur Verfügung steht. Noch vorteilhafterweise sollte soviel Partikelmaterial zur Verfügung stehen, dass der Beschichtertrichter vollständig befüllt werden kann. Die Verteilung des Partikelmaterials im Vorlagebehälter kann über den Schüttkegel erfolgen, was aber größere Höhen des Behälters erfordert. Oder, das Partikelmaterial wird über eine Verteileinrichtung, z.B. eine Spirale oder eine Schnecke, die sich im oberen Teil des Behälters über die Länge des Behälters befindet. Am Unteren Teil des Vorlagebehälters befindet sich eine verschließbare Auslassöffnung. Diese Öffnung ist so gestaltet, dass sie in den Beschichtertrichter reicht und dorthin das Partikelmaterial befördert. Vorzugsweise ist ein Verschlußmechanismus am Vorlagebehälter so gestaltet, dass er eine Befüllung des Beschichtertrichters auf immer gleichem Niveau ermöglicht, unabhängig vom Befüllzustand des Beschichtertrichters vor der Wiederbefüllung. Dafür kommen unterschiedliche Konzepte in Betracht. Eine mögliche Lösung ist ein Schiebmechanismus mit einer Folge von Öffnungen und Stegen und einem stehenden Gegenstück in gleicher Weise geformt. Wird der bewegliche Teil so gegenüber dem stehenden Teil verschoben, dass die Öffnungen Übereinanderliegen, fließt Partikelmaterial ab. Wird der Mechanismus hingegen so verschoben, dass die Öffnungen jeweils auf die Stege treffen, kann kein Partikelmaterial ausfließen.
Eine andere Ausführungsform eines geeigneten Verschlusses umfasst eine Klappe, die sich über die Länge des Vorlagebehälters erstreckt und an den Schmalseiten mit jeweils einem Drehpunkt aufgehängt ist. Eine geeignete Form einer Klappe stellt z.B. ein Rohrabschnitt dar, wobei die Drehpunkte vorteilhafterweise mit dem Zentrum des Rohrquerschnitts zusammenfallen. Eine derartige Klappe kann z.B. leicht mittels eines Hebels und eines pneumatischen Zylinders betätigt werden. Ist der Vorlagebehälter über dem Befülltrichter und die Klappe wird geöffnet, fließt Partikelmaterial aus dem Vorlagebehälter in den Befülltrichter bis sich ein Schüttkegel am Übergang von Vorlagebehälter zu Befülltichter einstellt und der Partikelmaterialfluss gestoppt wird. Wird dann die Sandklappe betätigt, trennt diese den Schüttkegel und verschließt den Vorlagebehälter. Der Befülltrichter ist dann auf der gesamten Breite gleichmäßig befüllt.
Das Partikelmaterial im Befülltrichter wird während der Beschichtungsfahrt dem Beschichter zugeführt. Dies erfolgt entweder passive durch einfaches Abließen oder aktiv z.B. durch eine Zellradschleuse am unteren Ende des Befülltrichters. Für den Beschichter gibt es verschiedene Ausführungsformen. Eine mögliche Ausführungsform umfasst eine Walze, die sich länglich quer zur Beschichtungsrichtung erstreckt und gegenläufig zur Beschichtungsrichtung betrieben wird. Eine vorteilhaftere Ausführungsform umfasst einen Spaltbeschichter, der wiederum aus einem länglichen Behälter aufgebaut ist, der Partikelmaterial aufnehmen kann. Der Behälter ist so aufgehängt, dass er eine Schwingbewegung um die Längsachse ausführen kann und wird durch einen Antrieb in Schwingungen versetzt. Im Unteren Bereich des Behälters gibt es eine spaltförmige Auslassöffnung für das Partikelmaterial, die sich in Richtung der Längsachse erstreckt. Die Öffnung kann entweder nach unten auf das Baufeld oder seitlich zum Baufeld gerichtet sein. Im Schwingbetrieb fließt dann Partikelmaterial auf das Baufeld.
Neben den Verschlussmechanismen der Vorlagebehälter befinden sich vorteilhafte Einrichtungen zur Absaugung evtl, entstehender Stäube, die sich durch die Befüllbewegung des Partikelmaterials in die Befülltrichter bilden. Eine derartige Vorrichtung kann aus einem geschlitztem Rohr bestehen, das mit Unterdrück z.B. über eine Absaugeinrichtung beaufschlagt wird. Durch den Unterdrück werden schwebende oder langsam sinkende Partikel in der Bauraumatmosphäre abgesaugt. Ein derartiges Rohr wird vorzugsweise entlang der Breite jedes der beiden Vorlagebehälter geführt. Vorzugsweise befindet sich der Beschichter, dessen Befülltrichter gerade befüllt wird, über einem Abwurftrichter. Der Abwurftrichter ist ein Behälter, der sich unterhalb der Bauebene seitlich des Baufeldes befindet und über eine Öffnung in der Bauebene verfügt, die mindestens so breit wie das Baufeld ist, vorzugsweise aber etwas breiter. Der Abwurftrichter nimmt überschüssiges Partikelmaterial auf, das sich z.B. nach einer Beschichtungsfahrt vor dem Beschichter befindet. Im Abwurftrichter landet auch Partikelmaterial, das bei der Befüllung des Beschichters bzw. des Befülltrichters aus den beiden Behältern entweicht oder nach der Befüllung evtl, abgestrichen wird.
Bei der Vorrichtung gemäß der Offenbarung können sich zwei Abwurftrichter zu beiden Längsseiten des Baufeldes anordnen lassen. Ein solcher Abwurftrichter kann über eine trichterartige Form verfügen, die eine Entleerung erleichtert. So kann an der untersten Stelle des Trichters das Partikelmaterial so zusammengeführt werden, dass es leicht über eine pneumatische Fördereinrichtung oder eine Schraubenförderung oder eine Förderschnecke abtransportiert werden kann.
Neben den beiden Öffnungen für die Abwurftrichter befinden sich in der Bauebene zwei weitere Öffnung links und rechts. Diese sind so ausgestaltet, dass in ihnen einerseits eine Reinigungsstation für die Beschichter und anderseits eine Reinigungsstation für den Druckkopf untergebracht werden kann. Da beim Reinigen des Beschichters Partikelmaterial aus dem Beschichter entweichen kann und dieses den Reinigungsvorgang des Druckkopfes negativ beeinflussen könnte, macht es Sinn beide Funktionen auch räumlich zu trennen. Dadurch wird es auch einfacher unterschiedliche Reinigungsmedien zu verwenden. So können die Beschichter z.B. trocken über gerichtete Druckluft oder Bürsten, die entlang oder quer zum Beschichter geführt werden gereinigt werden. Es sind auch andere Reinigungsmechanismen wie z.B. eine Wischeinheit mit feuchten Trägermedium oder eine Abziehklinge denkbar. In allen Fällen kann die Reinigungsvorrichtung passiv oder aktiv ausgeführt werden. Passive heißt, dass eine Relativbewegung zwischen Reinigungsmedium und Beschichter durch aktive Fahrt des Beschichters erfolgt. Aktive bedeutet, dass der Beschichter steht und sich die Reinigungsvorrichtung relativ zum Beschichter bewegt. Es sind auch Kombinationen aus passiver und aktiver Reinigung bzw. verschiedenen Reinigungsmechanismen denkbar.
Der Druckkopf kann hingegen über ein flüssiges Reinigungsmedium gereinigt werden, dass z.B. über eine Bürste, eine Wischlippe, eine saugfähige Wischlippe, eine Schwammwalze an der Dosierseite des Druckkopfs entlanggeführt wird. In beiden Reinigungsfällen ist es sinnvoll die Reinigungsvorrichtungen außen anzuordnen, damit die Vorrichtungen für den Bediener leicht zugänglich gehalten werden können. Der Zugang ist notwendig, um die Funktion der Reinigungsvorrichtungen zu überprüfen bzw. regelmäßige Wartungen und Reinigungen durchzuführen.
Der Druckkopf selbst besteht aus einer Vielzahl an Druckmodulen, die über eine begrenzte Zahl an Düsen verfügen. Derartige Druckmodule stoßen nach Anlegen des entsprechenden elektrischen Signals üblicherweise mit Hilfe von Piezoaktuatoren einzelne Tröpfchen eines flüssigen Binders aus ihren Düsen aus. Die Düsen weisen üblicherweise Durchmesser von 10 - 100 pm auf. Die Druckmodule werden entweder einzeln oder in kleineren Gruppen in einen sogenannten Druckkopfträger eingesetzt. Dabei ist zu beachten, dass die Druckmodule im Druckkopfträger so zueinander ausgerichtet sind, dass die Düsen aller Module möglichst den gleichen Abstand quer zur Druckrichtung aufweisen. Der Druckkopfträger erstreckt sich in der erfindungsgemäßen Ausführungsform über die gesamte Länge des Baufeldes und um eine kleine Distanz darüber hinaus. Diese Distanz wird dazu genutzt, um den Druckkopf nach jeder Überfahrt quer zur Druckrichtung um einen bestimmten Betrag verschieben zu können. Die Verschiebung wird dazu genutzt, um fehlerhafte Düsen im Druck mehrerer Schichten nicht übereinander liegen zu lassen. Der Druckkopfträger verfügt über geeignete Aufnahmen für die Druckmodule und ist so ausgelegt, dass er das Gewicht der Module und mindestens sein eigenes Gewicht so tragen kann, dass der Durchhang des Druckkopfe über seine Länge nur wenige Zehntelmillimiter beträgt. Üblicherweise beträgt der Abstand des Druckkopfes zum Baufeld 1 - 8 mm, mehr bevorzugt 2 - 5 mm. Damit das zu erzeugende Druckbild auf dem Baufeld möglichst dem Datenmodel entspricht, muss dieser Abstand an jeder Position des Baufeldes möglichst gleich sein.
Über dem Druckkopfträger mit den Druckmodulen befindet sich ein Tanksystem zur Versorgung der Druckmodule mit Binderflüssigkeit. Zudem sind Platinen zur Versorgung der Druckmodule mit den notwendigen elektrischen Signalen vorhanden.
In der bevorzugten Ausführungsform ist der Druckkopfträger so ausgelegt, dass er alle Anbauteile trägt und an den beiden Stirnseiten Mittel zur Positionierung und Fixierung in der Anlage aufweist. Die Anlage selbst weist wiederum die geeigneten Gegenstücke auf und zudem eine Einrichtung zur Verschiebung des Druckkopfes quer zur Druckrichtung. Diese Einrichtung besteht z.B. aus einem Gewindespindelantrieb auf einer Seite der Druckkopfaufnahme und einer verschieblichen Lagerung auf der gegenüberliegenden Seite. Der Gewindespindelantrieb wird über einen Servomotor mit angeflanschtem Drehgeber betrieben.
Zur positionsgenauen Generierung der Druckkopfsignale verfügt die Ablage über einen Linearmaßstab, der sich z.B. parallel zu einer der beiden Führungssysteme für die Bewegung der Prozesseinheit befindet. Der Tastkopf dieses Linearmaßstabes ist an einem der Kupplungspunkte auf den Linearachsen angebracht und gibt seine Signale bei Verfahren der Prozesseinheit ab. Auf diese Signale hin werden die Module des Druckkopfes angesteuert. Damit wird sichergestellt, dass das gewünschte Druckbild unabhängig von der Verfahrgeschwindigkeit der Prozesseinheit über das Baufeld richtig abgesetzt wird.
Die Anlage beziehungsweise Anordnung verfügt über einen Baubehälter, vorzugsweise über eine wechselbare Job-Box mit einer darin befindlichen Bauplattform. Eine Job-Box ist im Wesentlichen ein Rahmen, der das Abfließen des Partikelmaterials von der Bauplattform verhindern soll. Entsprechend verfügt die Bauplattform über eine umlaufende Dichtung zur Job-Box-Wand. Die Job-Box einschließlich der Bauplattform muss so ausgeführt sein, dass sie das Gewicht des Partikelmaterials nach einem ganzen Job tragen kann. Je nach Bauvolumen und Material können dies mehrere Hundert Kilogramm sein. Eine weitere Anforderung ist, dass kein oder mindestens nur sehr wenig Partikelmaterial zwischen Job-Box-Wand und Bauplattform hindurch nach unten abfließt auch wenn sich die Bauplattform während des Baujobs nach unten bewegt.
Zur Verkürzung der Rüstzeit zwischen den Baujobs verfügt die erfindungsgemäße Anlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform über ein Wechsel-Job-Box-System. Das bedeutet gleichartige Job-Boxen können wechselweise in die Anlage ein- und wieder ausgefahren werden. Damit dies ohne Bedienerinteraktion erfolgt, werden die Job-Boxen mittels eines sogenannten Einzugssystem von einer vor der Anlage befindlichen Fördereinrichtung in die Anlage transportiert. Als Einzugssystem, das im Übrigen auch das Ausfahren der Job-Box ermöglicht eignet sich z.B. ein Kettenfördersystem in der Anlage das vorzugsweise zu beiden Seiten der Job-Box eingreift und die Box über seitlich angebrachte Führungsrollen auf Schienen in die Anlage einzieht bzw. aus ihr herausführt. Es liegt nahe, dass sich für die Lösung dieser Aufgabe auch andere Prinzipien wie Pneumatikzylinder, angetriebene Rollen und dergleichen eignen. Das Fördersystem vor der Anlage, das die Job-Box außerhalb aufnimmt kann z.B. über eine angetriebene Rollenbahn verfügen, auf der die Job-Box steht und die das sichere Ein- und Ausfahren dieser Box in und aus der Anlage ermöglicht.
Dieses Fördersystem kann statisch vor der Anlage montiert sein aber auch ein selbstfahrendes Transportsystem sein. Letzteres hat vor allem den Vorteil, dass der Raum vor der Anlage nur während der Entladezyklen blockiert ist.
Im folgenden Absatz wird kurz auf die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung eingegangen.
Grundsätzlich eignet sich die beschriebene Anlagenform für alle mit dem Binder-Jetting-Verfahren verarbeitbaren Werkstoffe. Das sind zum Beispiel Formsande, Plastikmaterialien, Keramik-Pulver und Metalle. Desweiteren kann die Anlage aber auch so ausgeführt werden, dass damit das sogenannte High-Speed-Sintering durchgeführt werden kann. In diesem Fall verfügt die Anlage über eine geeignete Baufeldheizung und weitere Einrichtungen zum Sintern des Partikelmaterials.
Die Anlage kann mit unterschiedlichen Bindersystemen betrieben werden. Dies können zwei oder ein-Komponenten Bindersysteme sein. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit eignen sich z.B. Furanharze, Phenolharze, Acrylharze, Epoxide und anorganische Binder wie z.B. Wasserglas als Binder. Allerdings können auch andere Binder in Feststoffform in das Pulver gemischt werden und mittels einer Flüssigkeit aktiviert werden. Darunter fallen z.B. hydraulisch abbindende Binder wie Zemente, die mit wässrigen Lösungen bedruckt werden. Aber auch andere Stoffe wie Stärke, Zucker und dergleichen können eine Bindung im Partikelmaterial hervorrufen. Andere Bindungen werden durch das zumindest oberflächliche Anlösen der Partikelmaterialien ermöglicht. Hierfür eignen z.B. bestimmte Alkohole oder andere Lösungsmittel.
Im bevorzugten Fall wird die Anlage mit Formsand und gießereitypischen Bindern wie Furanharz und Wasserglas betrieben.
Die Anlage wird dazu mit dem Partikelmaterial befüllt. Die Binderversorgung wird mit dem geeigneten Binder befüllt und die Reinigungssysteme mit dem entsprechenden Cleaner befüllt.
Die Prozesseinheit fährt zunächst in die Beschichterreinigungsposition. Dort werden beide Beschichter automatisch gereinigt. Dann fährt die Prozesseinheit in die Druckkopfreinigungsposition. Dort wird ein Reinigungszyklus für den Druckkopf durchgeführt. Dieser kann mehrere sogenannte Purges oder Spülvorgänge, Wischvorgänge mit Reinigungsflüssigkeit und sogenannte Spittings umfassen. Unter Purgen wird der Vorgang verstanden, bei dem das Druckkopf-Binder-reservoir mit Überdruck so beaufschlagt wird, dass Binder zu den Düsen austritt. Unter Spitting wird eine gesamte Ansteuerung aller Düsen des Druckkopfes für eine bestimmte Anzahl an Tropfenerzeugungen verstanden.
Dann wird der Anlage eine leere Job-Box zugeführt. Diese wird in die Anlage eingezogen. Die Z-Achse kuppelt automatisch mit der dafür vorgesehenen Kupplung die Bauplattform an und schiebt die Bauplattform in die oberste Stellung. Dann fährt die Prozesseinheit in eine Befüllposition. Dort füllt der Vorlagebehälter den jeweiligen Befülltrichter.
Nun wir die Prozesseinheit unter Abgabe von Partikelmaterial über das Baufeld verfahren, bis diese wieder in der gegenüberliegenden Befüllposition zum Stehen kommt. Hier wird der andere Befülltichter durch den entsprechenden Vorlagebehälter befüllt und der Beschichtungsvorgang wiederholt. Auf diese Weise entsteht durch mehrmaliges Überfahren des Baufeldes ohne Bedrucken, die sogenannte Startschicht. Diese kann aus mehreren Schichten bestehen und löst verschiedene Aspekte. Zum einen wird eine von der Lage der Bauplattform unabhängige Bauebene erzeugt. Zum anderen wird die Anlage sowie das Baufeld auf Prozesstemperatur gebracht. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, kann mit dem eigentlichen Druckvorgang begonnen werden. Dafür sind die zu druckenden Daten in Form von einzelnen Bitmaps für die zu druckenden Schichten notwendig. Üblicherweise erfolgt die Zerlegung der 3D-Daten der Bauteile in einzelne Schichten und die Überführung dieser Daten in Bitmaps vor der Aufnahme des Druckjobs an einem Vorbereitungsrechner.
Nun Verfährt die Prozesseinheit von einer Befüllposition zur anderen und legt dabei vollständig prozessierte Schichten ab. Dies bedeutet, die Bauplatform wird jeweils um eine Schichtstärke abgesenkt, dann bedruckt die Prozesseinheit die vorige Lage mit Binder, trägt dann eine neue Lage Partikelmaterial auf und behandelt die Schicht z.B. mit IR-Strahlung.
Während des Schichtaufbaus werden die Auftragseinheiten wie Beschichter und Druckkopf in regelmäßigen Abständen gereinigt.
Nach Vollendung der letzten Schicht, kann die Bauplattform in der Job-Box abgesenkt und die Job-Box anschließend aus der Anlage transportiert werden. Unter Umständen wird der vollendete Druckjob weiteren Nachprozessen wie einer thermischen Härtung außerhalb der Anlage unterzogen.
Weitere Ausgestaltungen nach der Offenbarung sind im Folgenden dargestellt:
In einem Aspekt betrifft die Offenbarung eine Anordnung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen aus einem Partikelmaterial, umfassend zumindest eine der Anordnung zuführbare und einbaubare Prozesseinheit, die eine Druckeinheit und ein Beschichtersystem aufweist und eine Justiervorrichtung zur offline Vorbereitung der Prozesseinheit. In einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine Anordnung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen aus einem Partikelmaterial, umfassend zumindest eine der Anordnung zuführbare und einbaubare Prozesseinheit, die eine Druckeinheit und ein Beschichtersystem und eine mit der Prozesseinheit verfahrbare Digital-, Zeilenkamera oder eine IR-Kamera zur Messung der Baufeldtemperatur oder/und des Druckbildes.
Eine Anordnung nach der Offenbarung kann bevorzugt dadurch gekennzeichnet sein, dass sie eine Aufnahme für einen Baubehälter aufweist, die einen vorzugsweise automatischen Einzug für den Baubehälter aufweist.
Eine Anordnung nach der Offenbarung kann bevorzugt dadurch gekennzeichnet sein, dass das Beschichtersystem ein dynamisches Befüllsystem aufweist.
Eine Anordnung nach der Offenbarung kann bevorzugt dadurch gekennzeichnet sein, dass die Anordnung ein Klimagerät aufweist, vorzugsweise wobei eine Steuer- und/oder Prozesseinheit mit dem Klimagerät verbunden sind.
Eine Anordnung nach der Offenbarung kann bevorzugt dadurch gekennzeichnet sein, wobei in einem Bereich zwischen der Beschichtereinheit und der Druckeinheit ein Zeilensensor vorgesehen ist.
Eine Anordnung nach der Offenbarung kann bevorzugt dadurch gekennzeichnet sein, dass der Zeilensensor mit einer weiteren Prozess- und/oder Steuereinheit verbunden ist.
Eine Anordnung nach der Offenbarung kann bevorzugt dadurch gekennzeichnet sein, dass die Anordnung einen bi-direktionalen Beschichter oder zwei Beschichter aufweist, wobei ein Beschichter für jeweils eine Beschichtungsrichtung vorgesehen ist. Eine Anordnung nach der Offenbarung kann bevorzugt dadurch gekennzeichnet sein, dass ein Druckkopf zwischen zwei Beschichtern angeordnet ist oder beidseitig eines bi-direktionalen Beschichters jeweils ein Druckkopf angeordnet oder angebracht ist.
Eine Anordnung nach der Offenbarung kann bevorzugt dadurch gekennzeichnet sein, dass jeweils eine Digital-, Zeilenkamera oder eine IR- Kamera seitlich der Einheit Beschichter und Druckkopf angeordnet ist.
Eine Anordnung nach der Offenbarung kann bevorzugt dadurch gekennzeichnet sein, dass jeweils eine Digital-, Zeilenkamera oder eine IR- Kamera in vorwärts oder rückwärts Fahrtrichtung angebracht ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben.
Ein Beispiel einer Gesamtmaschine oder Gesamtanlage nach der Offenbarung wird z.B. in Fig. 1 beschrieben.
Wesentliche Komponenten des der Offenbarung zugrunde liegende 3D- Drucksystems sind:
• Das Maschinengestell (1.1)
• die Z-Achse (1.2)
• der Baubehälter (1.3)
• die Verfahrachse (1.4)
• die Prozesseinheit (1.5)
• die Umhausung (1.6)
• die Klimageräte (1.7)
• die Absaugung (1.10) Einige beispielhafte Komponenten und das Zusammenspiel der Komponenten gemäß der Offenbarung werden im Folgenden anhand der Fig. 1-8 detaillierter beschrieben.
Beispiele für Prozesseinheiten, Justiervorrichtungen, eines Beschichters und eines Vorlagebehälters gemäß der Offenbarung sind in Fig. 2 und 7 dargestellt.
Für den vollautomatischen Baubetrieb ist es vorteilhaft die Prozesseinheit (siehe Fig. 2) mit Beschichter (2.2, 7.7) auszurüsten, die einen Baubetrieb für mehrere Schichten ermöglichen.
Damit die Beschichter (2.7, 7.7) befüllt werden können, sind sie mit geeigneten Befülltrichtern (7.11) ausgerüstet, geeignet heißt im vorliegenden Fall, dass beim Befüllen über die Vorlagenbehälter (7.11) infolge des real vorhandenen Abstandes und des sich ausbildenden Schüttgutkegel ein Trichter angeordnet ist, der das überschüssige Partikelmaterial, das aus dem Vorlagenbehälter nachläuft, aufnehmen kann. Die Zuführung des Partikelmaterials (7.8) erfolgt im vorliegenden Fall über horizontal ausgerichtete Kettenfördersysteme. Da beim Befüllen typischerweise auch Staub anfällt, wurde das System direkt an der Befüllstelle mit einem vorzugsweise waagrecht liegendem Rohsystem ausgerüstet, das als Absaugung (7.10) dient. Hierzu wurden die Rohre an entsprechender Stelle seitlich mit Öffnungen (7.9) wie Bohrungen oder Schlitze versehen. Durch geeignete Verschlußsysteme (7.13) kann der Absaugstrom entsprechend getrimmt werden.
Einen beispielhaften Job-Box-Einzug (Baubehältereinzug) gemäß der Offenbarung zeigt Fig. 8.
Um den schon mehrfach beschriebenen hohen Automatisierungsgrad zu erreichen, musste ein Job-Box-Einzug entworfen werden, der mit der Systemverkettung (Rollenbahnsegment, 8.9) interagieren kann. Hierzu wurde das Drucksystem mit Zugmittel (8.5) ausgerüstet, die über die Mitnehmer (8.7, 8.8) den Baubehälter in die Maschine einziehen. Durch Wechsel der Drehrichtung der Antriebe (8.6) kommen die Mitnehmer am Zugmittel auf der anderen Seite des jeweiligen Baubehälter Mitnehmers zu liegen und können so die Box in die jeweils andere Richtung befördern. Damit die Box einen besseren Übergang von der Systemverkettung, Rollenbahn (8.9) zum 3D-Drucksystem erfährt, wurde das System mit Stützrollen (8.4) ausgerüstet. Vorzugsweise sind diese Stützrollen freilaufend, damit sie sich problemlos auf die Geschwindigkeit vom Zugmittel als auch auf die Geschwindigkeit der Rollenbahn (8.9) anpassen können.
Eine beispielhafte IR Kamera gemäß der Offenbarung ist in Fig. 1 dargestellt. Da im vorliegenden Prozess das Wärmemanagement einen wichtigen Beitrag zur Bauteilqualität beiträgt, wurde das vorliegende System mit einem IR Kamerasystem (1.8) ausgestattet, das eine kontinuierliche Beobachtung der Baufeldtemperatur (1.9) ermöglicht.
In Fig. 4 ist eine beispielhafte Ausgestaltung einer Justiervorrichtung gemäß der Offenbarung zur offline Vorbereitung der Prozesseinheit beschrieben.
Um die Stillstandzeiten der Maschine im Produktionsbetrieb zu minimieren, empfiehlt sich deshalb die Justage der Prozesseinheit offline in einer eigens dafür entwickelten Vorrichtung zu machen. Hierzu wurde eine Vorrichtung mit integrierter Messeinrichtung entwickelt, welche es erlaubt die Prozesseinheit mit ihrem Schnellverschluss (4.3) in einer der Maschine (Fig. 1) nachgestellten Einbausituation aufbauen, vermessen und ggf. nachjustieren zu können. Dazu wurde die Vorrichtung mit geeigneten Führungselementen (4.4) ausgerüstet, mit vorzugsweise einer Ebenheit von +/-0.02mm über den gesamten Verfahrbereich, vorzugsweise ca. Im x 1.5m, um den Messkopf (4.5) in X und Y an der Prozesseinheit entlang zu bewegen. Um die Messpositionen reproduzierbar anfahren zu können besitzen die Führungselemente (4.4) integrierte Wegmesssysteme, die am Bedienfeld (4.7) visualisiert werden können. Vorzugsweise wird ein Messkopf
(4.5) mit elektronischem Signalausgang verwendet, sodass die Messdaten zum einen am Bedienfeld visualisiert werden und zum anderen automatisch in ein Protokoll eingetragen werden können. Des Weiteren besitzt das Gerät eine Parkposition die einen Druckkopfverschluss (4.6) besitzt welcher ein Austrocknen des Druckkopfes (2.6, 3.6) verhindert.
Fig. 5 zeigt eine beispielhafte Transportbox mit permanenter Druckkopfbefeuchtung gemäß der Offenbarung.
Da es sich bei der Prozesseinheit (5.2) um eine hochsensible und auch kostenintensive Baugruppe handelt wurde eine Vorrichtung entwickelt, die es ermöglicht die Prozesseinheit (5.2) mit vollbestücktem Druckkopf in vorbereitet für die sofortige Verwendung für den 3D-Drucker zu lagern, heißt befüllt mit dem Druckmedium für mehrere Tage betriebsbereit zu halten. Transportbox bestehend aus Grundgestell (5.1) mit Druckkopfverschluss
(5.6) und stoßfester Abdeckung (5.4). Zur eindeutigen Positionierung der Prozesseinheit (5.2) werden wie in dem 3D-Drucker die Schnellverschlüsse (5.3) verwendet.
Fig. 6 illustriert eine beispielhafte Ausgestaltung einer Entnahmehilfe zum beschädigungsfreien Aus-/Einbau der Prozesseinheit gemäß der Offenbarung. Da das vorliegende 3D-Drucksystem für eine hohe Prozessautomation ausgelegt ist und demzufolge mehrere dieser Systeme im Verbund mit einer vollautomatischen Verkettung agieren werden, kann es dienlich sein, dass die Prozesseinheiten mit einem universellen Hebezeug (6.5) zu und weg von den Anlagen transportiert und in bzw. aus den Anlagen herausgehoben werden. Damit die hochsensible Prozesseinheit (6.2) dabei keinen Schaden erleidet wurde eine Vorrichtung entwickelt, die eine geführte Entnahme (6.6) aus der Anlage und einen Rundumschutz nach der Entnahme sicherstellt. Im vorliegenden Fall wurde eine rein mechanische Lösung (6.7) gewählt, denkbar wäre aber auch eine. vollautomatische Lösung, die mit der jeweiligen Maschinensteuerung interagieren kann.
Fig. 1 - 3 beschreiben weiterhin eine beispielhafte Prozesseinheit gemäß der Offenbarung.
Um den Anforderungen nach einer hohen Verfügbarkeit und damit einhergehend einer reduzierten Wartungszeit gerecht zu werden, wurde das vorliegende 3D-Drucksystem mit einem Schnellwechselsystem für Druckkopf (2.6, 3.6), Horizontalversatz (3.8) , Beschichter (2.2, 3.2), IR-Strahler (2.4, 3.4) und sonstige relevanten Komponenten entwickelt. Hierzu wurden die relevanten Komponenten in einer hochintegrierten und selbsttragenden Prozesseinheit zusammengefasst. Ausgerüstet mit einem Schnellspannsystem (3.10) für die Befestigung der Prozesseinheit auf der Verfahrachse (1.4) und Schnellverschlüssen für sämtliche Medien (Strom, Luft, Binder, etc.) entstand so eine kompakte Einheit die gemäß den Anforderungen in kürzester Zeit in das 3D-Drucksystem ein- bzw. ausgebaut werden kann. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Lösung ist die multiple Verwendbarkeit, da wie an anderer Stelle erläutert ein 3D-Drucksystem- Verbund aufgebaut werden soll kann die Prozesseinheit in jedes zum Verbund gehörende 3D-Drucksystem eingesetzt werden. Dies wird auch durch die Offline-Justage der Prozesseinheit in der im folgenden beschriebenen Justiervorrichtung (siehe auch Fig. 4) ermöglicht. Im Wesentlichen besteht die Prozesseinheit aus den stirnseitigen Montageplatten (3.1) mit dem daran befestigten Schnellspannsystem (3.10) und dem Verbund aus: vollbreitem und eigensteifem Druckkopf (2.6 und 3.6) mit Horizontalversatz (3.8), Beschichtereinheit (2.2, 3.2) und IR-Strahler (2.4, 3.4) mit Wasserkühlung (2.5, 3.5). Durch die eigensteife Druckkopfkonstruktion wird des Weiteren zusätzlich auch ein Schnellwechsel des Druckkopfes (2.6, 3.6) ermöglicht. Ergänzt wird das System um die Zeilenkamera (2.7, 3.7) zur insitu Druckbilderfassung und dem Beschichterverschluss (2.3, 3.3), im vorliegenden Fall als Vakuumverschluss (2.3, 3.3) ausgeführt um bei der Vielzahl der Zyklen mit minimalem Verschleiß größtmögliche Standzeit gewährleisten zu können.
Ein beispielhaftes Inspektionsmittel Zeilenkamera gemäß der Offenbarung zeigen Fig. 2 und Fig. 3.
Ein großer Nachteil der am Markt verfügbaren Systeme ist, dass das Druckergebnis erst mit Ende des kompletten Druckes, das heißt beim Auspacken des Baubehälters sichtbar wird. Da dies teilweise mehrere Stunden dauern kann vergeht viel kostbare Zeit. Bekannte Systeme benutzen bereits gängige Kamerasysteme um das Druckbild nach Fertigstellen der jeweiligen Schicht zu inspizieren (z.B. VUT, REVIEW OF AN ACTIVE RE-COATER MONITORING SYSTEM FOR POWDER BED FUSION SYSTEMS).
Bedingt durch die bidirektionale Arbeitsweise kann in der vorliegenden Maschine diese Technik nicht angewandt werden und es musste ein angepasstes System entwickelt werden, das zwischen Druckkopf und Beschichter montiert werden kann und damit auch bei der bidirektionalen Arbeitsweise eine insitu Inspektion des Druckbildes ermöglicht. Hierzu wurde jeweils eine Zeilenkamera (2.7, 3.7) zwischen Druckkopf (2.6, 3.6) rechtem und linkem Beschichter (2.2, 3.2) integriert und dann mit einer speziell angepassten Software ausgerüstet, die dann das reale Druckbild mit dem Sollbild vergleichen und so dem Bediener frühzeitig Störungen im Ablauf anzeigen kann. Der Bediener kann dann entscheiden ob er den Druck abbricht oder bis zum Ende durchlaufen lässt.
Bezugszeichenliste
Fig. 1
1.1 Maschinengestell (1)
1.2 Z-Achse (2)
1.3 Baubehälter / Job-Box (3)
1.4 Verfahrachse (4)
1.5 Prozesseinheit (5)
1.6 Umhausung (6)
1.7 Klimagerät(e) (7)
1.8 IR Kamera (Infrarotkamers) (8)
1.9 Baufeld (9)
1.10 Absaugung (10)
1.11 Vorlagebehälter ( 11)
Fig. 2
2.1 Montageplatte (1)
2.2 Beschichtereinheit (2)
2.3 Vakuumverschluss (3)
2.4 IR - Strahler (Infrarotstrahler) (4)
2.5 Wasserkühlung IR (Wasserkühlung Infrarot) (5)
2.6 Druckkopf (6)
2.7 Zeilenkamera (7)
Fig. 3
3.1 Montageplatte (1)
3.2 Beschichtereinheit (2)
3.3 Vakuumverschluss (3)
3.4 IR - Strahler (4)
3.5 Wasserkühkung IR (5) 3.6 Druckkopf (6)
3.7 Zeilenkamera (7)
3.8 Horizontalversatz (8)
3.9 Antrieb Horizontalversatz (9)
3.10 Schnellspannsystem (10)
4.1 Grundgestell (1)
4.2 Prozesseinheit (2)
4.3 Schnellverschluss (3)
4.4 X-Y-Führungssystem (4)
4.5 Messgerät (Messuhr) (5)
4.6 Druckkopfverschluss (6)
4.7 Bedienfeld mit Anzeige der Messwerte (7) Fig. 5
5.1 Grundgestell (1)
5.2 Prozesseinheit (2)
5.3 Schnellverschluss (3)
5.4 Abdeckung (4)
5.5 Verriegelung (5)
5.6 Druckkopfverschluss (6)
Fig. 6
6.1 Grundgestell (1)
6.2 Prozesseinheit (2)
6.3 Schnellverschluss (3)
6.4 Abdeckung (4)
6.5 Entnahmehilfe (5)
6.6 Führungselement (6)
6.7 Transportverriegelung (7)
Fig.7
7.1 Beschichtertrichter (1) 7.2 Beschichter (2)
7.3 Vakuumverschluss (3)
7.4 IR - Strahler (4)
7.5 Wasserkühlung IR (5)
7.6 Druckkopf (6)
7.7 Zeilenkamera (7)
7.8 Partikelmaterialzuführung (8)
7.9 Absaugöffnung (9)
7.10 Absaugung (10)
7.11 Vorlagenbehälter (11)
7.12 Vorlagenbehälter Verschluss (12)
7.13 Absaugung Verschluss (13)
Fig. 8
8.1 Maschinengestell ( 1)
8.2 Z-Achse (2)
8.3 Baubehälter (3)
8.4 Stützrollen (4)
8.5 Zugmittel (5)
8.6 Antrieb Einzug (6)
8.7 Mitnehmer Zugmittel (7)
8.8 Mitnehmer Baubehälter (8)
8.9 Rollenbahnsegment (9)

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen aus einem Partikelmaterial, umfassend zumindest eine der Anordnung zuführbare und einbaubare Prozesseinheit, die eine Druckeinheit und ein Beschichtersystem aufweist und eine Justiervorrichtung zur offline Vorbereitung der Prozesseinheit.
2. Anordnung zum schichtweisen Aufbau von Formteilen aus einem Partikelmaterial, umfassend zumindest eine der Anordnung zuführbare und einbaubare Prozesseinheit, die eine Druckeinheit und ein Beschichtersystem und eine mit der Prozesseinheit verfahrbare Digital, Zeilenkamera oder eine IR-Kamera zur Messung der Baufeldtemperatur oder/und des Druckbildes.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Aufnahme für einen Baubehälter, die einen vorzugsweise automatischen Einzug für den Baubehälter aufweist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Beschichtersystem ein dynamisches Befüllsystem aufweist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4, wobei die Anordnung ein Klimagerät aufweist, vorzugsweise wobei eine Steuer- und Prozesseinheit mit dem Klimagerät verbunden sind.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Bereich zwischen der Beschichtereinheit und der Druckeinheit ein Zeilensensor vorgesehen ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei der Zeilensensor mir einer weiteren Prozess- und Steuereinheit verbunden ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung einen bi-drrektionalen Beschichter oder zwei Beschichter aufweist, wobei ein Beschichter für jeweils eine Beschichtungsrichtung vorgesehen ist.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Druckkopfe zwischen zwei Beschichtern angeordnet ist oder beidseitig eines bi-direktionalen Beschichters jeweils ein Druckkopf angebracht ist.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeweils eine Digital-, Zeilenkamera oder eine IR-Kamera seitlich der Einheit Beschichter und Druckkopf angeordnet ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, wobei jeweils eine Digital-, Zeilenkamera oder eine IR-Kamera in vorwärts oder rückwärts Fahrtrichtung angebracht ist.
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